JP3323544B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3323544B2
JP3323544B2 JP22249892A JP22249892A JP3323544B2 JP 3323544 B2 JP3323544 B2 JP 3323544B2 JP 22249892 A JP22249892 A JP 22249892A JP 22249892 A JP22249892 A JP 22249892A JP 3323544 B2 JP3323544 B2 JP 3323544B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は極性の異なるダブルヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタ(DHBTと称す)と電
界効果トランジスタ(FETと称す)を用いた論理およ
び記憶回路に関する。特に、同一エピ構造で、PNp型HBT
とnチャンネル FETを同時に実現できるダブルヘテロ接
合構造をベースとコレクタに有する二次元電子ガスベー
スヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた超高速超
低消費電力なコンプリメンタリBiFETに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a logic and storage circuit using a double heterojunction bipolar transistor (DHBT) and a field effect transistor (FET) having different polarities. In particular, PNp-type HBTs with the same epi structure
Ultra-high-speed, ultra-low-power complementary BiFET using a two-dimensional electron gas-based heterojunction bipolar transistor with a double heterojunction structure at the base and collector, which can simultaneously realize an n-channel FET and an n-channel FET.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、集積論理回路および集積記憶回路
(ICと称す)に使用されているデバイスは主にバイポ
ーラトランジスタと電界効果トランジスタである。一般
にバイポーラトランジスタ論理回路は大駆動能力で高
速、電界効果トランジスタ論理回路は高集積で低消費電
力を特徴としている。特に従来半導体材料として用いら
れてきたシリコンでは、n型およびp型MOS(Met
al Oxide Semiconductor)FE
Tを用いたCMOS(ComplementaryMO
S:相補型MOS)論理が主流となっている。このCMOS
技術の発展により、その低消費電力性の為に、数十万
ゲート規模の論理 LSI をシリコンチップ上、一平方セ
ンチメートル程度に詰め込む事が可能になってきてい
る。又、メモリへのCMOS技術の応用としては、4 メガビ
ット SRAM(スタチック ランダム アクセス メモリ) が
アクセス時間は、15 ナノ秒で、 1 ワット以下の低消費
電力で実現できるようになってきた。これは、デバイス
構造の視点からは、nチャンネルのMOSFETとpチャンネル
のMOSFETを安定に形成できる技術が開発できた事に負っ
ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, devices used in integrated logic circuits and integrated storage circuits (referred to as ICs) are mainly bipolar transistors and field effect transistors. In general, bipolar transistor logic circuits are characterized by high driving capability and high speed, and field effect transistor logic circuits are highly integrated and have low power consumption. In particular, in silicon conventionally used as a semiconductor material, n-type and p-type MOS (Met
al Oxide Semiconductor) FE
CMOS using T (Complementary MO)
S (complementary MOS) logic is predominant. This CMOS
With the development of technology, due to its low power consumption, it has become possible to pack hundreds of thousands of gate-scale logic LSIs on a silicon chip to about one square centimeter. As an application of CMOS technology to memory, a 4-megabit SRAM (static random access memory) can be realized with an access time of 15 nanoseconds and a low power consumption of 1 watt or less. This is due to the fact that from the viewpoint of the device structure, a technology capable of stably forming an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET has been developed.

【0003】一方、シリコンバイポーラトランジスタI
Cにおいては飽和領域ではキャリアの蓄積が起こるた
め、高速論理回路では非飽和領域で動作させる必要があ
った。原理的には直結論理型回路(DCTL:Dire
ct coupled transistor log
ic)も検討されているがトランジスタが飽和領域で動
作するため低速でありほとんどICとして実用化されて
いない。このため、上記の非飽和領域で動作させる回路
形式が採用されてきた。即ち、バイポーラトランジスタ
では、非飽和領域で動作させるCML(Current
Mode Logic)やECL(Emitter c
oupled Logic)に代表される電流切替型が
主として用いられてきた。シリコンのバイポーラトラン
ジスタ集積回路では、LSIのスピードを上げようとする
と、ECL (Emitter Coupled Logic )回路を使わざるを得
ず、常にエミッタ電流を流しつづけて使用するため、ど
うしても消費電力が大きくなりすぎて大規模な集積化が
実現できないできた。例えば、ECL回路を例にとると、
最高の集積規模は、64 キロビット SRAM、消費電力 20
W、アクセス時間 2 ナノ秒程度である。即ち、集積規模
と消費電力で約 100倍CMOSが勝っており、同一集積規模
ではないので、比較は公平でないが、スピードで約10倍
シリコンバイポーラが勝っている。
On the other hand, a silicon bipolar transistor I
In C, carriers accumulate in the saturated region, so that the high-speed logic circuit needs to operate in the non-saturated region. In principle, a direct connection logic type circuit (DCTL: Direct)
ct coupled transformer log
ic) has been studied, but since the transistor operates in a saturation region, the operation speed is low, and it is hardly practically used as an IC. For this reason, a circuit type operating in the above-described unsaturated region has been adopted. That is, in a bipolar transistor, a CML (Current) operated in a non-saturation region is used.
Mode Logic and ECL (Emitter c)
The current switching type represented by coupled logic has been mainly used. In silicon bipolar transistor integrated circuits, ECL (Emitter Coupled Logic) circuits have to be used to increase the speed of LSI, and the emitter current is always kept flowing. Large-scale integration could not be realized. For example, taking the ECL circuit as an example,
The highest integration size is 64 Kbit SRAM, power consumption 20
W, access time is about 2 nanoseconds. That is, CMOS is about 100 times better in terms of integration scale and power consumption, and the comparison is not fair because it is not the same scale of integration, but silicon bipolar is about 10 times faster in terms of speed.

【0004】しかしながら、最近のシステムの高速化に
は、大規模LSIでの高速性が求められ始めており、シリ
コンバイポーラの優位性は、BiCMOSやCMOSに脅かされ始
めている。又、通信分野においては、1−30 GHz程度
の高周波領域で情報の通信を行うパーソナル通信機器
(無線通信機能付きパソコン,無線LAN)が 社会の需要と
してある。この様な高周波領域を扱える低消費電力(消
費電力が、10 mW程度)なトランジスタ/回路が求められ
始めている。更に、根源的には、超低消費電力で超高速
なデバイスが真に期待されるフェーズにきている。
[0004] However, recent high-speed systems require high-speed LSIs, and the superiority of silicon bipolar is beginning to be threatened by BiCMOS and CMOS. In the field of communications, personal communication devices that communicate information in the high frequency range of about 1-30 GHz
(PCs with wireless communication function, wireless LAN) are in demand of society. A transistor / circuit with low power consumption (power consumption of about 10 mW) capable of handling such a high-frequency region has been demanded. In addition, fundamentally, ultra-low power consumption and ultra-high-speed devices are in a phase where they are truly expected.

【0005】一方、CMOSでは、ゲート長の微細化に伴う
高性能化が、従来のトレンドの様に進まず、更には、信
頼性確保の為に電源電圧を5Vから2.0Vから3.3
V程度へ下げる必要性が生じ、単位トランジスタ幅当た
りの負荷駆動能力が低下し、LSIのスピードを下げる
原因になりつつある。
On the other hand, in the CMOS, the performance improvement accompanying the miniaturization of the gate length does not progress as in the conventional trend, and further, the power supply voltage is changed from 5 V to 2.0 V to 3.3 in order to ensure reliability.
There is a need to reduce the voltage to about V, and the load driving capability per unit transistor width is reduced, which is causing a reduction in the speed of the LSI.

【0006】また、1980年代の10年間、移動度がシリコ
ンの6倍程度あり半絶縁性基板が使用できるガリウム砒
素に代表される化合物半導体を材料とする超高速ICが
開発されてきた。この時のデバイスは、GaAs MESFETやH
EMT(High Electron MobilityTransistor; 高移動度トラ
ンジスタ)などの電界効果型トランジスタ(FET)であっ
た。回路形式としては、上記ECLに似たSCFL(S
ource Coupled FET Logic)とエ
ンハンスメントとデプリーション型のFETを用いたD
CFL(Direct Coupled FET Log
ic)が主流である。GaAsFETは、集積規模やスピード
の点では、シリコンバイポーラ並みだが、消費電力は、
シリコンバイポーラの約 1/3程度にできる事や高周波で
の低雑音性が特徴となっている。GaAs FETにおいて、n
チャンネルFETとpチャンネルFETを用いた相補型回路の
研究もあるが(例えば、IEEE IEDM アブストラクト 1985
年317ページから320ページ; N.C.Cirillo 他 5名 Compl
ementary Heterostructure Insulated Gate Field Effe
ct Transistors (HIGFETs) を例えば参照されたい。
又、その回路性能の詳しい検討は、S.Fujita and T.Miz
utani; IEEE Transanction ED-34 1987年 pp.1889-1896
になされている。又は、アイ.イー.イー.イー.エ
レクトロン デバイス レターズ イーデーエル8 ナ
ンバー6(1987年)から第262頁に論じられてい
る。)、pチャンネルFETを高性能にする事が出来ず、化
合物半導体の命である高速性が実現出来ないという欠点
を有している。AlGaAs/GaAsヘテロ接合での二次元正ガ
スの移動度は、室温で 400 cm2/Vsであり、FETの性能と
しては、ゲート長 Lg = 0.1 μmで、ソースゲート抵抗
Rsg=1.7 Ωmm の時、相互コンダクタンス Gm = 170 mS/
mm程度の性能であり(例えば、宇佐川、三島; 二次元電
子ガス(2DEG)FETのデバイス特性解析; 電子情報通信学
会論文誌 C Vol.J70-C No.5 pp.716-723 1987年 5月 図
1 (a) 参照)、nチャンネルFETの1/7程度の性能しか期
待出来ず、高速にはなり得ない。又、消費電力の点から
は、ゲート構造がいわゆるショットキー接合であるた
め、回路待機時に、nチャンネルかpチャンネルのいず
れか一方のゲート電極が高い順バイアスとなり、ゲート
電流が、電源からグランド側へ流れ、回路の消費電力の
大略80%以上を費やす(前述のS.FujitaとT.Mizutani
の論文を参照)。これは、本来のCMOSの特徴である回路
のスイッチング時にのみ電力を消費するという大きな特
徴を失わせる事になっている。
In the 1980's, ultrahigh-speed ICs made of a compound semiconductor represented by gallium arsenide, which has a mobility about six times that of silicon and can be used for a semi-insulating substrate, have been developed for 10 years. The device at this time is GaAs MESFET or H
It was a field effect transistor (FET) such as an EMT (High Electron Mobility Transistor). As a circuit format, SCFL (S
source coupled FET Logic) and D using enhancement and depletion type FETs.
CFL (Direct Coupled FET Log)
ic) is the mainstream. GaAs FETs are similar to silicon bipolar in terms of integration scale and speed, but consume less power.
The features are that it can be reduced to about 1/3 that of silicon bipolar and low noise at high frequencies. In GaAs FET, n
There is also research on complementary circuits using channel FETs and p-channel FETs (for example, IEEE IEDM Abstract 1985
317 to 320 pages a year; NCCirillo and 5 others Compl
ementary Heterostructure Insulated Gate Field Effe
See, for example, ct Transistors (HIGFETs).
For a detailed study of its circuit performance, see S. Fujita and T. Miz
utani; IEEE Transanction ED-34 1987 pp.1889-1896
Has been made. Or, eye. E. E. E. Electron Device Letters IDL 8 Number 6 (1987) to 262. ), Has the drawback that the p-channel FET cannot be made to have high performance and the high speed, which is the life of the compound semiconductor, cannot be realized. The mobility of the two-dimensional positive gas at the AlGaAs / GaAs heterojunction is 400 cm 2 / Vs at room temperature, and the performance of the FET is as follows: gate length Lg = 0.1 μm, source gate resistance
When Rsg = 1.7 Ωmm, transconductance Gm = 170 mS /
mm (e.g., Usagawa, Mishima; Analysis of device characteristics of two-dimensional electron gas (2DEG) FET; IEICE Transactions on Electronics, Vol.J70-C No.5 pp.716-723 May 1987 As shown in Fig. 1 (a), only about 1/7 performance of n-channel FET can be expected, and high speed cannot be achieved. Further, from the viewpoint of power consumption, since the gate structure is a so-called Schottky junction, at the time of circuit standby, either the n-channel or the p-channel gate electrode has a high forward bias, and the gate current is reduced from the power supply to the ground side. To spend about 80% or more of the power consumption of the circuit (S. Fujita and T. Mizutani
Paper). This loses the great feature that power is consumed only at the time of circuit switching, which is an essential feature of CMOS.

【0007】一方、化合物半導体を用いたヘテロバイポ
ーラトランジスタ(HBTと称す)では、シリコンバイ
ポーラと同じ回路(例えば、ECL回路)を採用した場合、
バンドギャップが大きい為に、バイポーラトランジスタ
のターンオン電圧が、約1.5倍大きくなり、そのため約
2 倍消費電力が大きくなるという欠点を有していた。
On the other hand, in a hetero bipolar transistor (HBT) using a compound semiconductor, when the same circuit (for example, an ECL circuit) as a silicon bipolar transistor is employed,
The large band gap increases the turn-on voltage of the bipolar transistor by about 1.5 times,
It had the disadvantage of twice as much power consumption.

【0008】即ち、従来の化合物半導体を用いたFETや
バイポーラでは、論理回路の例では、ゲートあたり10
psec以下の超高速で10μW以下の超低消費電力
を同時に実現できるデバイスを提供する事が今まででき
なかった。
That is, a conventional FET using a compound semiconductor,
For bipolar, in the example of a logic circuit, 10 per gate
Until now, it has not been possible to provide a device capable of simultaneously realizing an ultra-low power consumption of 10 μW or less at an ultra-high speed of psec or less.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は製造プ
ロセスが簡単で、マイクロ波やミリ波での高周波信号を
処理する事ができる高速でかつ低消費電力、高集積な論
理および記憶回路を単純な回路構成で提供できる新規な
デバイス/回路を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a high-speed, low-power-consumption, highly-integrated logic and storage circuit capable of processing a high-frequency signal of a microwave or millimeter wave with a simple manufacturing process. It is to provide a novel device / circuit which can be provided with a simple circuit configuration.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、最も広い概念
としては、ベースとコレクタをヘテロ接合にする事で、
ベースコレクタ間が順バイアスされる時にコレクタ層内
に蓄積する少数キャリヤを大幅に低減できるという現象
とベース層内に蓄積する少数キャリヤによる遅延効果が
無視できるほど小さい事を用いて、従来飽和領域で使う
と速度が落ちると思われていたバイポーラトランジスタ
の様々な回路形式に新しい路を拓く事を目的とするもの
である。コンプリメンタリBiFETは、その中の一つ
の例と考えることもできる。
According to the present invention, the broadest concept is to make a base and a collector a heterojunction,
By using the phenomenon that the minority carriers accumulated in the collector layer can be greatly reduced when the base collector is forward-biased and that the delay effect caused by the minority carriers accumulated in the base layer is negligible, Its purpose is to open up new avenues for various circuit types of bipolar transistors that would have slowed down when used. Complementary BiFETs can also be considered as one example.

【0011】原理的には、上記説明でコンプリメンタリ
BiFETは動作するが、現実の回路中で高性能を引き
出すためには幾つかの条件と改良が必要になる。この点
に関しては本発明の作用のところで詳しく説明する。
[0011] In principle, the complementary BiFET operates in the above description, but several conditions and improvements are required to obtain high performance in an actual circuit. This will be described in detail in the operation of the present invention.

【0012】[0012]

【作用】発明者の一部は、既にn型AlGaAs/アンドープGa
Asヘテロ接合界面に形成される二次元電子ガスをヘテロ
バイポーラトランジスタのベース層に用いる二次元電子
ガスベースヘテロバイポーラトランジスタ(2DEG-HBT)を
既に発明している(例えば、特開昭62-199049号公報、或
いは、特開昭63-236358号公報等を参照されたい)。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Some of the inventors have already reported that n-type AlGaAs / undoped Ga
As two-dimensional electron gas based heterobipolar transistor (2DEG-HBT) using a two-dimensional electron gas formed at the heterojunction interface for the base layer of the heterobipolar transistor has already been invented (for example, JP-A-62-199049) Gazette or JP-A-63-236358).

【0013】発明者の一人は、2DEG-HBTのデバイス特性
を詳細に解析した結果 (IEEE Transactions on Electro
n Devices, Vol.38, No.2, 1991 pp.222-231に詳しく議
論されている。)、次のような事実を見出した。GaAs/Al
GaAs系HBTでは、(1)PNp型では、エミッタ遅延
時間 τe を0.1 ピコ秒程度まで極めて小さくできる。
一方、(2)Npn型では、エミッタ遅延時間 τe
は、1.0 ピコ秒程度どうしても残ってしまう。
[0013] One of the inventors has analyzed the device characteristics of 2DEG-HBT in detail (IEEE Transactions on Electrode).
n Devices, Vol. 38, No. 2, 1991 pp. 222-231. ), Found the following facts. GaAs / Al
In the GaAs HBT, (1) the emitter delay time τe can be extremely reduced to about 0.1 picosecond in the PNp type.
On the other hand, in (2) Npn type, the emitter delay time τe
Will remain for about 1.0 picosecond.

【0014】以下に、この解釈を説明する。GaAs/AlGaA
s系ヘテロ接合では、通常用いられるAl組成 0.3 の時、
伝導帯の不連続ΔEcは300 meV、価電子帯の不連続ΔEv
は50meVであり、ΔEcは約 6倍ΔEvより大きい。これ
は、電子の方が正孔に比べて遥かに大きいポテンシャル
バリヤを感ずる事を意味している。これらのΔEcやΔEv
の果たす役割について、2DEG−HBTと通常のNP
n型HBTのエミッタ、ベース部分のエネルギーバンド
図(図3(a),(b))を用いて説明する。
The interpretation will be described below. GaAs / AlGaA
In an s-based heterojunction, when the commonly used Al composition is 0.3,
Conduction band discontinuity ΔEc is 300 meV, valence band discontinuity ΔEv
Is 50 meV and ΔEc is about 6 times larger than ΔEv. This means that electrons feel a potential barrier much larger than holes. These ΔEc and ΔEv
Role of 2DEG-HBT and normal NP
This will be described with reference to the energy band diagrams of the emitter and base portions of the n-type HBT (FIGS. 3A and 3B).

【0015】2DEG−HBTでは、図3(a)に示す
ように、エミッタ層であるp型AlyGa1-yAs36とベ
ース層になる2DEG38の供給層であるn型AlxG
a1-xAs35の伝導帯の不連続ΔEc1と2DEG供給層で
あるn型AlxGa1-xAs35と2DEG蓄積層である高
純度GaAs層34の伝導帯の不連続ΔEc2の和ΔEc
(=ΔEc1+ΔEc2)だけ少数キャリヤの電子からみれ
ば、エミッタ層への注入を抑制するポテンシャルバリヤ
と感ずる。上記論文で解析したように、y=0.45,
x=0.30とすれば、ΔEc=450meVとなり、電
子のもつ室温での平均的エネルギー kT(24.8m
eV)に較べ、一桁以上大きく十分抑止ポテンシャルと
して働く。これが、同論文 225ページのセクション B.
Frequency Performance Analysisに詳しく論じた如く、
2DEG−HBTで、エミッタ遅延時間 τe を0.02か
ら0.1 ピコ秒と事実上無視できるほど小さくできる物理
的理由である。一方、通常のNPn型HBTでは、図3
(b)に示すようにエミッタ層であるn型AlyGa1-y
As層135とp型ベース層であるp型GaAs層13
4との価電子帯の不連続ΔEvを少数キャリヤの正孔から
みれば、エミッタ層への注入を抑制するポテンシャルバ
リヤと感ずる。エミッタ層のAl組成を通常の0.3よ
り増やしてy=0.45としても価電子帯の不連続ΔEv
は75meVと小さく、正孔のもつ室温での平均的エネ
ルギー kT(24.8meV)に較べても、3倍程度
しかない。さらにΔEvの正孔のエミッタ層への注入を抑
制するポテンシャルバリヤとしては低い事が、エミッタ
遅延時間 τe を、1.0 ピコ秒程度と他の遅延時間に較
べて無視できなくなるほど大きくしてしまう物理的理由
である。
In the 2DEG-HBT, as shown in FIG. 3A, an n-type AlxG, which is a supply layer of a p-type AlyGa1-yAs36 as an emitter layer and a 2DEG38 as a base layer.
a1-xAs35 the conduction band discontinuity .DELTA.Ec 1 and the sum of the discrete .DELTA.Ec 2 the conduction band of the n-type AlxGa1-xAs35 and 2DEG storage layer at a high purity GaAs layer 34 is a 2DEG supply layer .DELTA.Ec
From the viewpoint of the minority carrier electrons (= ΔEc 1 + ΔEc 2 ), it is felt as a potential barrier for suppressing injection into the emitter layer. As analyzed in the above paper, y = 0.45,
If x = 0.30, ΔEc = 450 meV, and the average energy of the electrons at room temperature kT (24.8 m
Compared to eV), it works as a deterrent potential that is larger by one order of magnitude or more. This is section B. of page 225 of the same paper.
As discussed in detail in Frequency Performance Analysis,
This is a physical reason that the 2DEG-HBT can make the emitter delay time τe as small as 0.02 to 0.1 picoseconds, which is practically negligible. On the other hand, in a normal NPn-type HBT, FIG.
As shown in (b), the n-type AlyGa1-y which is the emitter layer
As layer 135 and p-type GaAs layer 13 serving as a p-type base layer
When the discontinuous ΔEv of the valence band of 4 is viewed from the holes of the minority carriers, it is felt as a potential barrier for suppressing the injection into the emitter layer. Even when the Al composition of the emitter layer is increased from the usual 0.3 to y = 0.45, the valence band discontinuity ΔEv
Is as small as 75 meV, which is only about three times as large as the average energy kT (24.8 meV) of the holes at room temperature. Furthermore, the low potential barrier that suppresses the injection of holes of ΔEv into the emitter layer makes the emitter delay time τe as large as 1.0 picosecond, which cannot be ignored compared to other delay times. That is the reason.

【0016】これにヒントを得て、コレクタのバンドギ
ャップを大きくするベースコレクタがヘテロ接合になる
ダブルヘテロ接合2DEG-HBTのデバイス特性を詳しく解析
した。特に、ベースコレクタを順バイアスにした時にコ
レクタ内に蓄積する少数キャリヤ(今の場合電子)の様子
を解析した結果、大幅に少数キャリヤを低減できること
を見出した。直ちに、素子を試作評価したところ、実験
的にもこの効果を確認した。物理的には、少数キャリヤ
であるベース領域の電子は、ベースコレクタ間の伝導帯
の不連続ΔEc(Al組成0.3で300 meV、Al組成0.45で450 m
eV程度である。)の為にコレクタ領内にほとんど注入さ
れない事を確認した。これは、デバイス動作という視点
からは、バイポーラトランジスタの飽和型回路におい
て、バイポーラトランジスタが飽和領域から抜け出す時
に、コレクタに溜る少数キャリヤの充放電時間τccが回
路のスピードを遅くするという問題を無くする事に寄与
する。更に、この飽和の問題がバイポーラトランジスタ
で無視できるようになれば、従来考えて来なかった回路
形式が使えるようになってくる事を意味する。
Taking this inspiration, the device characteristics of a double heterojunction 2DEG-HBT in which the base collector for increasing the band gap of the collector becomes a heterojunction were analyzed in detail. In particular, as a result of analyzing the state of minority carriers (electrons in this case) that accumulate in the collector when the base collector is forward-biased, it was found that minority carriers can be significantly reduced. Immediately, a prototype of the device was evaluated, and this effect was confirmed experimentally. Physically, electrons in the base region, which is a minority carrier, have a conduction band discontinuity ΔEc between the base and collector (300 meV at Al composition 0.3, 450 m at Al composition 0.45).
It is about eV. ), It was confirmed that it was hardly implanted into the collector area. This eliminates the problem that the charge / discharge time τcc of the minority carrier accumulated in the collector slows down the circuit speed when the bipolar transistor comes out of the saturation region in the saturation type circuit of the bipolar transistor from the viewpoint of device operation. To contribute. Further, if the problem of the saturation can be ignored by the bipolar transistor, it means that a circuit type which has not been considered conventionally can be used.

【0017】以上の事柄は、既に説明したエミッタへの
少数キャリヤの注入抑止効果と同様に直感的に説明する
ことができる。ダブルヘテロ接合2DEG-HBTのアンドープ
GaAs34とアンドープAlGaAs33のヘテロ接
合からなるコレクタ領域のエネルギーバンド図を図4
(a) に示す。ΔEcは、電子にとっては極めて大きなポ
テンシャルバリヤ(300meV)であり、AlGaA
s側への注入を抑制するのに十分の大きさである。一
方、ΔEvは、正孔にとってAlGaAs側への注入を
抑制するほどには、大きなポテンシャルバリヤ(50m
eV)ではない。このことが、ダブルヘテロ接合型2D
EG−HBTにおいて、コレクタに溜る少数キャリヤの
充放電時間τccが非常に小さい(0.1ピコ秒程度)事
の物理的理由である。ここでもGaAs/AlGaAs
系のNPn型HBTとPNp型HBTとでは、充放電時
間τccに差を与えるが、その理由はヘテロ接合での伝導
帯の不連続ΔEcと価電子帯の不連続ΔEvの役割が逆に
なる事である。即ち、通常のNPn型HBTでは、上記
τccは数ピコ秒から数十ピコ秒になる。
The above can be explained intuitively in the same manner as the already described effect of suppressing the injection of minority carriers into the emitter. FIG. 4 shows an energy band diagram of a collector region composed of a heterojunction of undoped GaAs34 and undoped AlGaAs33 of a double heterojunction 2DEG-HBT.
(a). ΔEc is a very large potential barrier (300 meV) for electrons, and AlGaAs
It is large enough to suppress injection on the s side. On the other hand, ΔEv is a potential barrier (50 m) large enough to suppress holes from being injected into the AlGaAs side.
eV). This is a double hetero junction type 2D
This is the physical reason that the charge / discharge time τcc of the minority carriers accumulated in the collector in the EG-HBT is very short (about 0.1 picosecond). Again, GaAs / AlGaAs
The NPn-type HBT and the PNp-type HBT have a difference in charge / discharge time τcc because the roles of the conduction band discontinuity ΔEc and the valence band discontinuity ΔEv in the heterojunction are reversed. It is. That is, in a normal NPn-type HBT, the above-mentioned τcc is from several picoseconds to several tens of picoseconds.

【0018】次にベース層への正孔の蓄積効果である
が、2DEG−HBTの場合には、次に述べる構造的特
徴の為にベース層での正孔蓄積時間は非常にちいさい。
即ち、2DEG−HBTは、通常のバイポーラトランジ
スタの様に、中性領域が存在せず、金属学的な、通常空
乏化しているn型AlGaAs層35(通常のバイポー
ラトランジスタでは、エミッタベース間pn接合で空乏
層化しているn型ベース層の部分に対応している。)と
コレクタ側に形成される三角ポテンシャル中の2DEG
に分けられる。ベースとコレクタが順バイアスされた状
態のエネルギーバンド図を図4(b)に示す。ベースと
コレクタが順バイアスされた状態では、ドーピングレヴ
ェルの低いGaAs層34の領域に正孔が蓄積する。し
かし、ベースとコレクタが順バイアスされた状態から、
オフ状態へ変化すると、図 3(a)に示す様な強いコレク
タ電界E(=ベースコレクタ間ビルトインポテンシャル
/コレクタ層膜厚 Wc≒1.8V/300 nm =6x104V/ cm) が
直ちに生じ、GaAs層34に蓄積された正孔は、この
強い電界により引き抜かれる。又、空乏層化しているn
型AlGaAs層35中にも、正孔は一部蓄積するが、
その数は非常に少ない。なぜなら、n型AlGaAs層
35の膜厚は、30nm程度と薄く、空間電荷が正に帯
電しているからである。この様に、2DEG−HBTで
は、所謂ベース層に蓄積する少数キャリヤによる回路の
遅延時間τBBは、非常に小さくなる。
Next, the effect of accumulating holes in the base layer will be described. In the case of 2DEG-HBT, the time for accumulating holes in the base layer is very short due to the following structural characteristics.
That is, the 2DEG-HBT is a metallurgical, normally depleted n-type AlGaAs layer 35 having no neutral region and a pn junction between an emitter and a base in a normal bipolar transistor, unlike a normal bipolar transistor. And a 2DEG in a triangular potential formed on the collector side.
Divided into FIG. 4B shows an energy band diagram when the base and the collector are forward-biased. When the base and the collector are forward-biased, holes accumulate in the region of the GaAs layer 34 with a low doping level. However, from a state where the base and collector are forward-biased,
When the state changes to the off state, a strong collector electric field E (= built-in potential between base and collector / collector layer thickness Wc ≒ 1.8 V / 300 nm = 6 × 10 4 V / cm) is immediately generated as shown in FIG. The holes accumulated in the layer 34 are extracted by the strong electric field. Also, the depletion layer n
Some holes also accumulate in the type AlGaAs layer 35,
The number is very small. This is because the thickness of the n-type AlGaAs layer 35 is as thin as about 30 nm, and the space charge is positively charged. As described above, in the 2DEG-HBT, the delay time τBB of the circuit due to the minority carriers accumulated in the so-called base layer becomes very small.

【0019】本発明では、ベースとコレクタをヘテロ接
合にする事で、ベースコレクタ間が順バイアスされる時
にコレクタ層内に蓄積する少数キャリヤを大幅に低減で
きるという現象と、ベース内に蓄積する少数キャリヤの
遅延効果が無視できる程小さくできるという現象を用い
て、CMOSの様に極性の異なる、コレクタがベースに
比べてワイドギャップになっている事を特徴とするバイ
ポーラトランジスタと電界効果型トランジスタからなる
以下に示すコンプリメンタリBiFET回路を用いる事
で、従来の半導体電子デバイスでは実現出来なかったバ
イポーラECL回路より高速で、CMOSより低消費電
力な超高速超低消費電力な半導体装置を提供する。以下
の本発明の詳細な説明では、GaAs/AlGaAs系
2DEG−HBTを用いたコンプリメンタリBiFET
を中心に説明する。その理由は、 1)GaAs系が最も良質なヘテロ接合を提供し、プロ
セス技術が最も進歩しているからである。
According to the present invention, the heterojunction between the base and the collector can significantly reduce the minority carriers accumulated in the collector layer when the base-collector is forward-biased. It consists of a bipolar transistor and a field-effect transistor characterized in that the collector has a wider gap than the base, with different polarities, such as CMOS, using the phenomenon that the carrier delay effect can be made negligible. By using a complementary BiFET circuit described below, a semiconductor device that is faster than a bipolar ECL circuit that cannot be realized by a conventional semiconductor electronic device and that consumes less power than CMOS and that has ultra-high-speed and ultra-low power consumption is provided. In the following detailed description of the present invention, a complementary BiFET using a GaAs / AlGaAs-based 2DEG-HBT will be described.
This will be mainly described. The reasons are: 1) GaAs provides the highest quality heterojunction and process technology is the most advanced.

【0020】2)極性の異なる(pnpバイポーラとn
チャンネルFET,npnバイポーラとpチャンネルF
ET)組合せの中でバイポーラとFETの両方を高速に
できる唯一の組合せである。
2) Different polarities (pnp bipolar and n
Channel FET, npn bipolar and p-channel F
ET) is the only combination that can speed up both bipolar and FET among combinations.

【0021】3)素子間分離が容易で、ラッチアップ等
の寄生トランジスタ効果がなく、プロセスが簡単であ
る。
3) Isolation between elements is easy, there is no parasitic transistor effect such as latch-up, and the process is simple.

【0022】等である。原理的には、2DEG−HBT
に限定される必要はない。即ち、コレクタ、ベースへの
少数キャリヤの蓄積効果を抑えるHBTとこれと極性の
異なるFETを以下に示す様に組み合わせることで本発
明を実現できる。又、材料的にはGaAs/AlGaA
sヘテロ接合系に限定される必要はない。
And so on. In principle, 2DEG-HBT
It need not be limited to. That is, the present invention can be realized by combining an HBT that suppresses the effect of accumulating minority carriers in the collector and the base and an FET having a different polarity from the HBT as described below. Also, the material is GaAs / AlGaAs.
It need not be limited to s heterojunction systems.

【0023】ところで、2DEG-HBTのデバイス断面構造
(例えば、IEEE Transactions on Electron Devices、 V
ol.38、 No.2、 1991 pp.222-231のFig.1, (a)、(b)に
示されている。)から分かる様に、同一エピ構造で、一
方は、PNp型ヘテロ接合バイポーラトランジスタにな
り、一方は、接合ゲートの二次元電子ガスFETになるの
で、電極形成や素子間分離などのプロセス工程を同一に
して、PNpのバイポーラトランジスタとnチャンネルのFE
Tを形成できるという長所を有する。更に、特別に電気
的な素子間分離技術を工夫する必要がないなど、シリコ
ンの相補型MOS型FET(CMOS)やCMOSとバイポーラトランジ
スタの複合技術であるBiCMOSのプロセス技術等の様に、
構造上の複雑さがなく、構造が非常に簡単である点が2D
EG-HBTの特徴である。更に、CMOSの様に寄生のpnp,npn
トランジスタが存在しないため、少数キャリヤ注入によ
るラッチアップ現象は起こらない。この利点は、ベース
とコレクタがヘテロ接合になった場合も失われない。
Incidentally, the device sectional structure of the 2DEG-HBT
(For example, IEEE Transactions on Electron Devices, V
ol.38, No.2, 1991 pp.222-231, Fig.1, (a) and (b). As can be understood from), one is a PNp type heterojunction bipolar transistor and one is a two-dimensional electron gas FET with a junction gate, so the same process steps such as electrode formation and isolation between elements are the same. PNp bipolar transistor and n-channel FE
It has the advantage that T can be formed. Furthermore, there is no need to devise special electrical element isolation technology, such as silicon complementary MOS type FET (CMOS) and BiCMOS process technology, which is a composite technology of CMOS and bipolar transistors.
2D is a very simple structure without structural complexity
This is a feature of EG-HBT. Furthermore, parasitic pnp and npn like CMOS
Since there is no transistor, a latch-up phenomenon due to minority carrier injection does not occur. This advantage is not lost if the base and collector become heterojunction.

【0024】2DEG-HBTのプロセス工程の単純さと、ベー
スとコレクタをダブルヘテロ接合にする事による少数キ
ャリヤの蓄積効果の大幅低減という特徴を用いて、図1
に示す様な、ダブルヘテロ接合2DEG-HBTによるコンプリ
メンタリ(相補型)BiFETを用いる事で、化合物半導体に
おいて、超高速超低消費電力な電子回路を初めて提供す
る。図1(a)、(b)、図2(a)、(b)にAlGaAs/GaAsヘテロ
接合を用いた場合のインバータ回路(図1(a))、デバイ
ス断面構造 (図2(b))、エネルギーバンド図(図2
(a))、インバータ特性(図2(b))、を用いて本発明を
説明する。
FIG. 1 shows the simplicity of the process steps of the 2DEG-HBT and the feature that the effect of accumulating minority carriers is greatly reduced by making the base and collector a double heterojunction.
By using a complementary (complementary) BiFET with a double heterojunction 2DEG-HBT as shown in (1), an ultra-high-speed and ultra-low-power electronic circuit is provided for the first time in a compound semiconductor. 1 (a), 1 (b), 2 (a), and 2 (b) show inverter circuits (FIG. 1 (a)) and device cross-sectional structures using AlGaAs / GaAs heterojunctions (FIG. 2 (b)) , Energy band diagram (Fig. 2
The present invention will be described with reference to (a)) and inverter characteristics (FIG. 2B).

【0025】先ず、原理的なデバイス構造を図1(b)
で説明する。電気的に絶縁されたJunctionゲー
ト2DEGFETと2DEGベースPNpHBTの断面
構造が示してある。結晶構造は、半絶縁性GaAs基板
30上にp型GaAs31,p型AlGaAs32,ア
ンドープAlGaAs33,アンドープGaAs34,
n型AlGaAs35,p型AlGaAs36が形成さ
れている。HBT部分では、p型AlGaAs36がエ
ミッタ層、n型AlGaAs35とアンドープGaAs
34の界面に形成される2DEG(二次元電子ガス)3
8がベース層、アンドープGaAs34、アンドープA
lGaAs33がコレクタ層、p型AlGaAs32、
p型GaAs31層がサブコレクタ層である。FET部
分では、p型AlGaAs36がゲート層、n型AlG
aAs35とアンドープGaAs34の界面に形成され
る2DEG(二次元電子ガス)38がn型チャンネル
層、アンドープAlGaAs33は短チャンネル効果を
抑制する効果があり、p型AlGaAs32、p型Ga
As31層は、p型バッファー層であり、この層への電
位の与え方には、後述する様に幾つか存在する。ソース
ゲート抵抗Rsgやベース抵抗rbb'を低減する目的で、
2DEGとオーミック接続するn型イオン注入層37が
形成されている。電極部分は、それぞれ、エミッタ電極
40、ベース電極41,コレクタ電極42、ゲート電極
45、ソース電極43、ドレイン電極44、基板バイア
ス電極46である。デバイスを作製するプロセス上の特
徴は、エミッタ電極とゲート電極、ベース電極とソース
ドレイン電極、コレクタ電極と基板バイアス電極とをそ
れぞれ同一工程(リソグラフィプロセスと電極プロセ
ス)で作製できるため、工程数の大幅な短縮を実現でき
るという長所も存在する。
First, the basic device structure is shown in FIG.
Will be described. The cross-sectional structure of an electrically insulated junction gate 2DEGFET and 2DEG-based PNpHBT is shown. The crystal structure is such that on a semi-insulating GaAs substrate 30, p-type GaAs 31, p-type AlGaAs 32, undoped AlGaAs 33, undoped GaAs 34,
An n-type AlGaAs 35 and a p-type AlGaAs 36 are formed. In the HBT portion, p-type AlGaAs 36 is an emitter layer, n-type AlGaAs 35 and undoped GaAs
2DEG (two-dimensional electron gas) 3 formed at the interface 34
8 is a base layer, undoped GaAs 34, undoped A
lGaAs33 is a collector layer, p-type AlGaAs32,
The p-type GaAs layer 31 is a sub-collector layer. In the FET part, p-type AlGaAs 36 is a gate layer, n-type AlG
2DEG (two-dimensional electron gas) 38 formed at the interface between aAs 35 and undoped GaAs 34 has an n-type channel layer, undoped AlGaAs 33 has an effect of suppressing a short channel effect, and p-type AlGaAs 32 and p-type Ga
The As31 layer is a p-type buffer layer, and there are several ways to apply a potential to this layer as described later. In order to reduce the source gate resistance Rsg and the base resistance rbb ',
An n-type ion implantation layer 37 that is in ohmic connection with 2DEG is formed. The electrode portions are an emitter electrode 40, a base electrode 41, a collector electrode 42, a gate electrode 45, a source electrode 43, a drain electrode 44, and a substrate bias electrode 46, respectively. The feature of the device fabrication process is that the emitter electrode and gate electrode, base electrode and source / drain electrode, and collector electrode and substrate bias electrode can be fabricated in the same process (lithography process and electrode process). There is also an advantage that it can achieve a great reduction.

【0026】ここで注意すべきは、ソースゲート間(ベ
ースエミッタ間)に印加バイアスがない場合に、必ずし
も2DEG層38が開いている必要はない。即ち、FE
Tの言葉でいえば、しきい値電圧Vthは、必要に応じて
正負の値をとれる。
It should be noted here that the 2DEG layer 38 does not necessarily have to be open when no bias is applied between the source and gate (between the base and the emitter). That is, FE
In terms of T, the threshold voltage Vth can take a positive or negative value as needed.

【0027】以下の説明では、典型的Vthとして0.0
Vから0.1V程度の値を念頭において説明する(この
点に関しては、作用のところで詳細に説明する。)。
In the following description, a typical Vth is 0.0
The description will be made with a value of about 0.1 V from V in mind (this point will be described in detail in the operation).

【0028】図 2(a)にエミッタベースを順バイアス
してn型AlGaAs35とアンドープGaAs34の
界面に2DEG(二次元電子ガス)38が誘起された状
態のエネルギーバンド図を示している。既に説明した様
に、ベースからp型AlGaAsコレクタ層33,32
へ電子が入り込もうにも、アンドープGaAs38とp
型AlGaAsコレクタ層33とのヘテロ接合界面の伝
導帯の不連続ΔEcによるポテンシャル障壁の為に注入
されにくくなる。
FIG. 2A shows an energy band diagram in a state where the emitter base is forward-biased and 2DEG (two-dimensional electron gas) 38 is induced at the interface between the n-type AlGaAs 35 and the undoped GaAs 34. As described above, the p-type AlGaAs collector layers 33 and 32 are
Undoped GaAs 38 and p
It becomes difficult to be implanted due to a potential barrier due to a discontinuity ΔEc in the conduction band at the heterojunction interface with the type AlGaAs collector layer 33.

【0029】図 1(a)に示す様に、コンプリメンタリB
iFETは1個のpnp−DHBT10 とエンハンスメ
ント型nチャンネルFETで構成され、FETのドレイ
ン部分とバイポーラのコレクタ部分を電気的に接続し、
FETのゲート部分とバイポーラのベース部分を電気的
に接続する。更に、DHBT(ダブルヘテロバイポーラ
トランジスタ)のエミッタは第1の電源、FETのソー
スは第2の電源(今の場合、アース)、DHBTのコレク
タとFETのドレインは出力に、DHBTのベースとF
ETのゲートが入力に接続されている。更に、FETの
基板バイアス電極SB部分は、通常、FETのソース部
分に接続されている。
As shown in FIG. 1 (a), complementary B
The iFET is composed of one pnp-DHBT10 and an enhancement type n-channel FET, and electrically connects a drain portion of the FET and a bipolar collector portion.
The gate portion of the FET and the base portion of the bipolar are electrically connected. Further, the emitter of the DHBT (double hetero bipolar transistor) is the first power supply, the source of the FET is the second power supply (in this case, ground), the collector of the DHBT and the drain of the FET are the output, the base of the DHBT and F
The gate of ET is connected to the input. Further, the substrate bias electrode SB of the FET is usually connected to the source of the FET.

【0030】本論理回路の基本動作はシリコンCMOS
と似ている。つまり、入力が第1の電源に近い電圧(ハ
イレベル)の時(ハイレベル)はpnpDHBTはオ
フ、nFETはオンとなり出力は第2の電源に近くなる
(ローレベル)。逆に、入力が第2の電源(ローレベ
ル)に近い電圧の時はpnpDHBTはオン、nFET
はオフとなり出力は第1の電源に近くなる(ハイレベ
ル)。
The basic operation of this logic circuit is silicon CMOS
Is similar to That is, when the input is at a voltage (high level) close to the first power supply (high level), the pnpDHBT is off, the nFET is on, and the output is close to the second power supply (low level). Conversely, when the input is at a voltage close to the second power supply (low level), pnpDHBT is on and nFET
Is turned off and the output is close to the first power supply (high level).

【0031】本論理回路がシリコンCMOSと異なるの
は片側がpnpバイポーラトランジスタであることでこ
のため以下の点が問題となる。
This logic circuit differs from the silicon CMOS in that one side is a pnp bipolar transistor, and therefore the following problems arise.

【0032】(1)DHBTがオンの時は、トランジス
タは飽和領域にある。このため、前記DCTLと同様キ
ャリアの蓄積効果が問題となる。しかしながら、今まで
説明してきたように、ベースとコレクタがヘテロ接合に
なっている点と2DEG-HBTの上記特徴の為に、飽和時の少
数キャリヤの蓄積効果(いまの場合、コレクタ層内の電
子数及びベース層内の正孔)は、無視できる程小さい。
(1) When the DHBT is on, the transistor is in the saturation region. For this reason, the carrier accumulation effect becomes a problem as in the case of the DCTL. However, as described above, due to the fact that the base and the collector are heterojunctions and the above-mentioned characteristics of the 2DEG-HBT, the effect of the accumulation of minority carriers during saturation (in this case, the electron in the collector layer). Number and holes in the base layer) are negligibly small.

【0033】(2)pnpトランジスタの動作速度は、
正孔のベース通過に時間がかかり、高速動作は、無理だ
と考えられてきた。しかしながら、2DEG-HBTの場合エミ
ッタ(図1(b)のp型AlGaAs 36)と金属学的なベース(図1
(b)のn型AlGaAs 35)の間のヘテロ接合と実際のベースで
ある2DEGの感じるヘテロ障壁(n型AlGaAs35とアンドープ
GaAs34の伝導帯の不連続ΔEc)が大きい為にエミッタ領
域の遅延時間は、無視できる程小さい。即ち、少数キャ
リヤである電子はエミッタ領域にほとんど侵入できな
い。又、2DEGの厚さは、10 nmと極めて薄い為、ベース
走行時間も無視できる程小さい。
(2) The operating speed of the pnp transistor is:
It has been considered that it takes time for holes to pass through the base, and high-speed operation is impossible. However, in the case of 2DEG-HBT, the emitter (p-type AlGaAs 36 in FIG. 1 (b)) and the metallurgical base (FIG.
Heterojunction between (b) n-type AlGaAs 35 and the real base 2DEG felt heterobarrier (n-type AlGaAs 35 and undoped)
Since the conduction band discontinuity ΔEc) of GaAs 34 is large, the delay time of the emitter region is negligibly small. That is, electrons, which are minority carriers, can hardly enter the emitter region. Also, since the thickness of 2DEG is as thin as 10 nm, the base traveling time is so small that it can be ignored.

【0034】(3)電源電圧。第1と第2の電源の電圧
は、DHBTのベース立上り電圧やFETのゲート立上
り電圧を考慮して決める。通常は、これら、立上り電圧
の最小値を該電圧とする。この場合、DHBTおよびF
ETがオン状態でも次段のDHBTおよびFETにはベ
ースおよびゲート電圧はには立上り電圧より低いので大
電流を駆動する必要が無く消費電力も小さい。一方、該
電圧を該立上り電圧より高く設定することは可能であり
消費電力が大きくなるがより高速動作できる。この場
合、入力のクランプ用に必要に応じてベースあるいはゲ
ートに直列に抵抗を挿入することにより低消費電力化が
可能である。また、エミッタに直列に抵抗を挿入しても
同様の効果が得られるが、出力電位が該エミッタ抵抗の
電圧降下分変化することを考慮しなければならない。
(3) Power supply voltage. The voltages of the first and second power supplies are determined in consideration of the base rise voltage of the DHBT and the gate rise voltage of the FET. Usually, these minimum values of the rising voltage are set as the voltages. In this case, DHBT and F
Even when the ET is in the ON state, the base and gate voltages of the next-stage DHBT and FET are lower than the rising voltage, so that it is not necessary to drive a large current and the power consumption is small. On the other hand, it is possible to set the voltage higher than the rising voltage, and power consumption is increased, but higher-speed operation is possible. In this case, power consumption can be reduced by inserting a resistor in series with the base or gate as needed for input clamping. Although the same effect can be obtained by inserting a resistor in series with the emitter, it is necessary to consider that the output potential changes by the voltage drop of the emitter resistor.

【0035】(4)ファンアウト数。DHBTがオン
時、ベース電流は前段のFETより供給される。このた
め、ファンアウト数はFETの飽和ドレイン電流で決ま
る。逆に、最大ファンアウト数を決めて、FETのゲー
ト幅を決定する。駆動能力のバランスからDHBTとF
ETの飽和電流を同一にする場合は最大ファンアウト数
は理想的にはDHBTの電流増幅率hfe、実際には、
該hfeの3分の1から4分の1程度になる。DHBT
のhfeは100以上は得られるので実際上はほとんど
問題は無い。
(4) Number of fan-outs. When the DHBT is on, the base current is supplied from the preceding FET. For this reason, the number of fan-outs is determined by the saturation drain current of the FET. Conversely, the maximum fan-out number is determined and the gate width of the FET is determined. DHBT and F from the balance of drive capacity
When the saturation current of the ET is the same, the maximum fan-out number is ideally the current amplification factor hfe of the DHBT.
It is about one third to one fourth of the hfe. DHBT
Hfe of 100 or more can be obtained, so there is practically no problem.

【0036】次に、図 2(b)に示す単一インバータの
入出力特性を説明する。縦軸は出力電圧 Vout、横軸は
入力電圧 Vinである。それぞれの振幅は、第2の電源
(今の場合、アースで0V)から第1の電源(今の場合、
Vdd V)の範囲である。又、コンプリメンタリBiF
ETの構成から容易に分かる様に、Vin=Vg、Vout=
Vsdの関係がいつも成立ち、更に、入力電圧 Vinが0
Vの時、ベースエミッタ電圧Vbeは、Vddであり、Vin
がVddの時、ベースエミッタ電圧Vbeは、0Vである。
FETのしきい値電圧Vthは、この図では正の値の場合
を考えている。単一インバータの入出力特性を五つの領
域〔(I)、(II)、(III)、(IV)、(V)〕に分
けて説明する。
Next, the input / output characteristics of the single inverter shown in FIG. 2B will be described. The vertical axis is the output voltage Vout, and the horizontal axis is the input voltage Vin. Each amplitude is a second power supply
(In this case, 0V at ground) from the first power supply (in this case,
Vdd V). Complementary BiF
As easily understood from the configuration of the ET, Vin = Vg, Vout =
The relationship of Vsd always holds, and when the input voltage Vin is 0
At V, the base-emitter voltage Vbe is Vdd and Vin
Is Vdd, the base-emitter voltage Vbe is 0V.
In this figure, the case where the threshold voltage Vth of the FET is a positive value is considered. The input / output characteristics of a single inverter will be described separately for five regions [(I), (II), (III), (IV), (V)].

【0037】(I)Vinが0Vからしきい値電圧Vthの
間 nチャンネルFET20がオフの為出力電圧はVddに固
定されている。
(I) While Vin is between 0 V and the threshold voltage Vth, the output voltage is fixed at Vdd because the n-channel FET 20 is off.

【0038】(II)VinがVthからVtcの間(Vtcはバ
イポーラのコレクタ電流とFETのドレイン電流の値が
一致するゲート電圧である。) nチャンネルFET20がオンし始めるので、FETの
ドレインが流れ始め、出力電圧が、Vddから下がりはじ
める。
(II) Vin is between Vth and Vtc (Vtc is a gate voltage at which the value of the bipolar collector current matches the value of the drain current of the FET.) Since the n-channel FET 20 starts to turn on, the drain of the FET flows. At the beginning, the output voltage starts to drop from Vdd.

【0039】(III)VinがVtcの場合 バイポーラの活性領域でのコレクタ電流とFETの飽和
領域でのドレイン電流の値が一致する状態である。
(III) When Vin is Vtc The collector current in the bipolar active region is equal to the drain current in the FET saturation region.

【0040】(IV)VinがVtcからVdd−Vtpの間(V
tpは、バイポーラのコレクタ電流Icがオンするベース
エミッタ電圧Vbeである。) バイポーラのコレクタ電流がオフし始め、出力電圧が0
Vに近づき始める。
(IV) When Vin is between Vtc and Vdd-Vtp (V
tp is a base-emitter voltage Vbe at which the bipolar collector current Ic is turned on. The bipolar collector current starts to turn off and the output voltage becomes zero.
Start approaching V.

【0041】(V)VinがVdd−VtpからVddの間 バイポーラがオフし、出力電圧が0Vになる。(V) While Vin is between Vdd-Vtp and Vdd, the bipolar turns off and the output voltage becomes 0V.

【0042】ところで、図 2(b)で、ベースコレクタ
が同電位、即ち、Vbc=0Vの領域を示す点線部分を境
として、Vbcが正の領域では、ベースコレクタが飽和す
る領域である。
By the way, in FIG. 2 (b), a region where the base collector is at the same potential, that is, a region where Vbc is 0 V, and a region where Vbc is positive is a region where the base collector is saturated.

【0043】上記では、pnpヘテロバイポーラトラン
ジスタとn型電界効果トランジスタによる相補型論理回
路について述べたが、npnヘテロバイポーラトランジ
スタとp型電界効果トランジスタでも同様の相補型論理
回路が実現できることは明白である。
In the above description, a complementary logic circuit using a pnp hetero-bipolar transistor and an n-type field effect transistor has been described. However, it is obvious that a similar complementary logic circuit can be realized using an npn hetero-bipolar transistor and a p-type field effect transistor. .

【0044】以上、飽和時に少数キャリアの蓄積効果が
極めて小さいDHBTと極性の異なるFETを用いたコ
ンプリメンタリBiFETの基本的な発明部分は説明し
た。次に現実に回路を組む場合を考えて、 (1)コンプリメンタリBiFETのデバイスとしての
特徴 (2)高性能を引き出す為に課せられる条件 (3)連結インバータの動作解析と問題点 (4)超高速で超低消費電力な高集積化に向いた集積回
路にする為の改良点等について詳細な説明を行う。
As described above, the basic invention part of the complementary BiFET using the DHBT having the extremely small minority carrier accumulation effect at the time of saturation and the FET having the different polarity has been described. Next, considering the case of actually constructing a circuit, (1) the characteristics of a complementary BiFET as a device (2) the conditions imposed to bring out high performance (3) the operation analysis and problems of a connected inverter (4) ultra-high speed A detailed description will now be given of improvements and the like for making an integrated circuit suitable for high integration with very low power consumption.

【0045】先ず、エミッタ接地のバイポーラ特性、図
5(a)を用いて、静的な電流−電圧特性の面から、バイ
ポーラ特性をFET動作とみなした時に、コレクタ電流
Icがソースドレイン電流Idsに、エミッタコレクタ電
圧Vceがソースドレイン電流Vdsに、エミッタベース電
圧Vbeがゲート電圧Vgに、コレクタ電流が遮断される
VbeをVtpと定義するとFETのしきい値電圧Vthにそ
れぞれ対応する。但し、厳密に言えば、バイポーラのI
cはベース電流Ibで制御されているのであり、Vbe
で制御されている訳ではないのでFETとの対応はあく
までアナロジーである。この様に、バイポーラ特性をF
ETとみなした時の特徴を以下に列挙する。エミッタベ
ース電圧Vbeが1.5Vから1.7Vまでの200mV変
化する間に、コレクタ電流Icを二桁変えられる。即
ち、FETとしてみた場合、しきい値電圧は、Vtp≒
1.5Vと通常の化合物半導体を用いたFETからみる
と非常に高いエンハンスメント型FETで、論理振幅Δ
Vが200mVと小さい値にもかかわらず、電流レンジ
を二桁変えることができ、同一寸法のFETに比べて、
相互コンダクタンスが二桁程度高いことが、大きな特徴
である。
First, from the viewpoint of static current-voltage characteristics using the bipolar characteristics of a common emitter and FIG. 5 (a), when the bipolar characteristics are regarded as the FET operation, the collector current Ic becomes larger than the source / drain current Ids. When the emitter-collector voltage Vce is defined as the source-drain current Vds, the emitter-base voltage Vbe is defined as the gate voltage Vg, and Vbe at which the collector current is cut off is defined as Vtp, they correspond to the threshold voltage Vth of the FET. However, strictly speaking, the bipolar I
c is controlled by the base current Ib, and Vbe
Therefore, the correspondence with the FET is only an analogy. As described above, the bipolar characteristic is changed to F
The features when considered as ET are listed below. While the emitter-base voltage Vbe changes by 200 mV from 1.5 V to 1.7 V, the collector current Ic can be changed by two digits. That is, when viewed as an FET, the threshold voltage is Vtp ≒
When viewed from a FET using a compound semiconductor of 1.5 V and a normal compound semiconductor, it is an extremely high enhancement type FET and has a logic amplitude Δ
Even though V is a small value of 200 mV, the current range can be changed by two digits, and compared to the FET of the same size,
A significant feature is that the transconductance is about two orders of magnitude higher.

【0046】図 5(a)に示すIc-Vce特性の活性領域を
取りだして、コレクタ電流Icとエミッタベース電圧Vb
eの関係を図 5(b)に示す。バイポーラトランジスタの特
徴は、しきい値電圧 Vtpからのコレクタ電流Icの立上
り特性が、指数関数的(〜EXP(βVbe))的であ
り、このことが小さい論理振幅ΔVで、大きくコレクタ
電流Icを切り換えられる理由である。
The active region having the Ic-Vce characteristic shown in FIG. 5A is taken out, and the collector current Ic and the emitter-base voltage Vb are extracted.
Figure 5 (b) shows the relationship of e. The bipolar transistor is characterized in that the rising characteristic of the collector current Ic from the threshold voltage Vtp is exponential (.about.EXP (.beta.Vbe)), which means that the collector current Ic is switched largely with a small logic amplitude .DELTA.V. That's why.

【0047】[0047]

【数1】 Ic=AEXP(βVbe) (数1) 但し、Aはデバイス寸法や材料構造に依存する定数、β
=q/kTである。qは単位電荷、kはボルツマン定
数、Tは絶対温度である。また、大電流領域では、エミ
ッタ、ベース抵抗の為に、指数関数特性からズレてく
る。
Ic = AEXP (βVbe) (Equation 1) where A is a constant depending on device dimensions and material structure, β
= Q / kT. q is unit charge, k is Boltzmann's constant, and T is absolute temperature. In the large current region, the characteristics deviate from the exponential function due to the emitter and base resistance.

【0048】FETでは、飽和領域でのソースドレイン
電流 Idss は、大電流領域では、近似的にVg−Vthの
二次関数
In the FET, the source / drain current Idss in the saturation region is approximately a quadratic function of Vg-Vth in the large current region.

【0049】[0049]

【数2】 Idss =K(Vg−Vth)2 (数2) で表される。Idss = K (Vg-Vth) 2 (Equation 2)

【0050】又、しきい値電圧付近では、この二次関数
から外れる。このためVthはIdssの平方根をゲート電
圧Vgに対してプロットし、外挿値としてVthを定める
のが慣例である。この様子を図 5(b)に示す。今の場
合、Vthを正に考えるとゲート電圧Vg=0.0Vでの
残留ソースドレイン飽和電流 Idssresと記すと以下で
議論する様に、コンプリメンタリBiFETの待機電力に大
きく係ってくる。
In the vicinity of the threshold voltage, the value deviates from the quadratic function. For this reason, it is customary for Vth to plot the square root of Idss against the gate voltage Vg and determine Vth as an extrapolated value. This is shown in Fig. 5 (b). In this case, when Vth is considered positively, the residual source / drain saturation current Idssres at the gate voltage Vg = 0.0 V greatly affects the standby power of the complementary BiFET as discussed below.

【0051】化合物半導体のヘテロ接合を用いた場合、
トランジスタ幅 W=10μm、ゲート長 Lg=0.
1〜0.5μmで最大K値は、5〜20mA/V2程度
である。一方、同一寸法のバイポーラトランジスタの場
合、K値に換算すると25〜50mA/V2程度と一桁
以上大きくなる。Idssresは、デバイス構造、Vth等に
依存し、大略0.1〜50μAの範囲に設定できる。
When a compound semiconductor heterojunction is used,
Transistor width W = 10 μm, gate length Lg = 0.
At 1 to 0.5 μm, the maximum K value is about 5 to 20 mA / V 2 . On the other hand, in the case of a bipolar transistor having the same dimensions, when converted into a K value, it is about 25 to 50 mA / V 2, which is one digit or more. Idssres depends on the device structure, Vth and the like, and can be set in a range of approximately 0.1 to 50 μA.

【0052】通常2DEG−FETの論理振幅ΔVはV
g−Vth=400mV〜800mVの程度で動作させる
時に最も回路動作速度が速くなる事が多い。この時、ソ
ースドレイン飽和電流Idssは、1〜7mAレヴェルで
ある。
Normally, the logic amplitude ΔV of a 2DEG-FET is V
When operating at g-Vth = 400 mV to 800 mV, the circuit operation speed is often the fastest. At this time, the source / drain saturation current Idss is 1 to 7 mA level.

【0053】トランジスタ幅 W=10μmでゲート長
Lg=0.1〜0.2μmのシリコンのnチャンネルM
OSFETでは、Vg−Vth=1.5V(電源電圧2V
前後に対応)でソースドレイン飽和電流Idssは最大3
mA程度である。pチャンネルMOSFETでは、1.
5mA程度である。即ち、2DEG−HBTをFETと
してみた場合、電源電圧2V程度のnチャンネルMOS
FETに比較して、同程度から2倍程度の電流を流す事
ができ、その場合の論理振幅は、1/3から1/4であ
る。即ち、GaAs系2DEG−HBTをFETとして
みた場合、nチャンネルMOSFETに比較して、負荷
駆動能力は同程度から2倍程度、速さは数倍高速にな
る。コンプリメンタリBiFETではFETの相棒は、
負荷駆動能力の高い高速なPNpのバイポーラであり、
CMOSLSIより、少なくとも一桁以上高速にでき
る。
Transistor width W = 10 μm and gate length
Lg = 0.1-0.2 μm silicon n-channel M
In the OSFET, Vg-Vth = 1.5 V (power supply voltage 2 V
Source / drain saturation current Idss up to 3
mA. For a p-channel MOSFET:
It is about 5 mA. That is, when the 2DEG-HBT is considered as an FET, an n-channel MOS having a power supply voltage of about 2 V
A current approximately the same or approximately twice that of the FET can flow, and the logical amplitude in this case is 1/3 to 1/4. That is, when the GaAs-based 2DEG-HBT is viewed as an FET, the load driving capability is about the same to about twice and the speed is several times faster than the n-channel MOSFET. In the complementary BiFET, the companion of the FET is
High speed PNp bipolar with high load driving capability,
It can be at least one order of magnitude faster than a CMOS LSI.

【0054】次に、図1(a)に示す単一インバータを例
にとり、正常に動作するためのFETのしきい値電圧V
th、バイポーラのコレクタ電流遮断電圧Vtp、電源電圧
Vddに課される条件について論じる。図6(b)に,イン
バータへの入力電圧Vinに対するFET/バイポーラの
動作領域を示す。単一インバータで入力電位が0Vの時
バイポーラはオンし、FET部分はVg=0Vとなり、
ソースドレイン飽和電流Idss(Vg=0V)が流れる。
この時の消費電力Pは、
Next, taking the single inverter shown in FIG. 1 (a) as an example, the threshold voltage V
th, the conditions imposed on the bipolar collector current cutoff voltage Vtp and the power supply voltage Vdd will be discussed. FIG. 6B shows an operation region of the FET / bipolar with respect to the input voltage Vin to the inverter. When the input potential is 0 V in a single inverter, the bipolar turns on, and the FET portion becomes Vg = 0 V,
A source / drain saturation current Idss (Vg = 0 V) flows.
The power consumption P at this time is

【0055】[0055]

【数3】 P=Idss(Vg=0V)*Vdd (数3) であり、回路設計に応じてIdss(Vg=0V)の値を決
めることが重要になる。例えば、Vth>0Vの時はIdss
はIdssresになり、
## EQU3 ## P = Idss (Vg = 0V) * Vdd (Equation 3), and it is important to determine the value of Idss (Vg = 0V) according to the circuit design. For example, when Vth> 0V, Idss
Becomes Idssres,

【0056】[0056]

【数4】 P=Idssres*Vdd (数4) の電力が消費される。 Vth<0Vの時は、Vg=0Vの
IdssはIdssresより大きくなるが、FETとしてVg-
Vthでの電流値は同一のVgに対して大きくできるので
FETとしては、高性能にできるので消費電力は、大き
くなるが、スピードは速くなる。通常の応用では、高速
動作は多少犠牲にしても低消費電力を目的にする時は、
## EQU4 ## The power of P = Idssres * Vdd (Equation 4) is consumed. When Vth <0 V, Idss of Vg = 0 V becomes larger than Idssres, but Vg−
Since the current value at Vth can be increased with respect to the same Vg, the performance of the FET can be improved, so that the power consumption is increased but the speed is increased. In normal applications, when aiming for low power consumption at the expense of some high-speed operation,

【0057】[0057]

【数5】 0V≦Vth≦0.15V (数5) の範囲で使うことが望ましい。一方、消費電力は、犠牲
にしても高速動作を目的とする場合には、しきい値電圧
Vthは負にして用いるのが望ましい。
## EQU00005 ## It is desirable to use in the range of 0V.ltoreq.Vth.ltoreq.0.15V (expression 5) On the other hand, in the case of achieving high-speed operation at the expense of power consumption, it is desirable to use the threshold voltage Vth with a negative value.

【0058】2DEG−HBTのFETとしてのしきい
値電圧Vthの主要項は近似的に、
The main term of the threshold voltage Vth of the 2DEG-HBT as an FET is approximately

【0059】[0059]

【数6】 Vth≒Eg(AlGaAs)-ΔEc-qNDd2(1+ND/NA)/(2ε1)+ sqr〔2ε1qNAA(2kT〈ln(NAA/ni)〉/q+VSB) + X〕/ε1 - Y (数6)Vth ≒ Eg (AlGaAs) -ΔEc-qNDd 2 (1 + ND / NA) / (2ε 1 ) + sqr [2ε 1 qNAA (2kT <ln (NAA / ni)> / q + VSB) + X ] / Ε 1 -Y (Equation 6)

【0060】[0060]

【数7】 X≡NAA(NAA/Nβ-1)(qNβWcd/ε1)2/Nβ (数7)X≡NAA (NAA / Nβ-1) (qNβWcd / ε 1 ) 2 / Nβ (Equation 7)

【0061】[0061]

【数8】 Y≡(NAA/Nβ-1)(qNβWcd/ε1) (数8) と書き下す事ができる。エピ構造は、図 1 (b)、図2(a)
にしめす構造を考えている。但し、sqrは平方根を、l
nは自然対数を、Eg(AlGaAs)はエミッタのp型AlGaAs層
36のエネルギーバンドギャップ、ΔEcはエミッタのp型
AlGaAs層36と2DEG38の形成されているアンドープG
aAs層34との伝導帯のとびを表す。NDとdは金属学
的ベースn型AlGaAs層35のドーピングレヴェルと膜厚で
ある。NAは、エミッタのp型AlGaAsのドーピングレヴェ
ル。ε1は、AlGaAsの誘電率であり、エミッタ、ベー
ス、コレクタ各層のAl組成の違いは無視している。Wc
は、アンドープコレクタ層のアンドープGaAs,AlGaAs層3
4,33の膜厚、NAAとniは、p型AlGaAs層サブコレクタ層3
2の不純物濃度と真性キャリヤ濃度であり、Nβはアン
ドープGaAs,AlGaAs層34,33の不純物濃度である。更に、
VSBは、p型埋込層(p型AlGaAs層コレクタ層)32の電位を
制御する基板バイアス電位である。この役割は、後で議
論する。
(8) Y8 (NAA / Nβ-1) (qNβWcd / ε 1 ) (Equation 8) Fig. 1 (b) and Fig. 2 (a)
I'm thinking of a structure to show. Where sqr is the square root, l
n is the natural logarithm, Eg (AlGaAs) is the p-type AlGaAs layer of the emitter
36 energy band gap, ΔEc is the p-type of the emitter
Undoped G with AlGaAs layer 36 and 2DEG 38 formed
It shows the jump of the conduction band with the aAs layer 34. ND and d are the doping level and thickness of the metallurgical base n-type AlGaAs layer 35. NA is the doping level of p-type AlGaAs of the emitter. ε 1 is the dielectric constant of AlGaAs, ignoring the difference in Al composition between the emitter, base, and collector layers. Wc
Is the undoped GaAs, AlGaAs layer 3 of the undoped collector layer.
The film thickness of 4,33, NAA and ni are p-type AlGaAs layer and sub-collector layer 3.
2 are the impurity concentration and the intrinsic carrier concentration, and Nβ is the impurity concentration of the undoped GaAs and AlGaAs layers 34 and 33. Furthermore,
VSB is a substrate bias potential for controlling the potential of the p-type buried layer (p-type AlGaAs layer collector layer) 32. This role will be discussed later.

【0062】2DEG−HBTのFETとしてのしきい
値電圧Vthは、大略数6で記述できるのでエピ構造の具
体的値を設計する事で、Vthの値を目的とする回路形式
や回路性能に応じて設定できる。
Since the threshold voltage Vth of the 2DEG-HBT FET can be approximately described by Equation 6, by designing the specific value of the epi structure, the value of Vth can be adjusted according to the intended circuit type and circuit performance. Can be set.

【0063】ところで、2DEG-HBTの場合、バイポーラと
FETのエピ構造が同一である。そのため、FETのしきい値
電圧Vth正であるということは、バイポーラトランジス
タの言葉でいえば、ノーマリオフのバイポーラトランジ
スタという事である。つまり、エミッタとコレクタ間が
パンチスルーした状態である。即ち、Vbeが小さい時で
もパンチスルーコレクタ電流Icresが流れてしまう。し
かし、Vthが0-0.15V程度と小さい領域では、パンチスル
ーコレクタ電流Icresは、極めて小さく、通常無視でき
る。又、Vbeが小さいとき2DEGはわずかにしか誘
起していないのでベース抵抗rbb'は高くなる。しかし、
コレクタ電流密度がじゅうぶん大きくなる領域では、充
分2DEGを誘起できるのでrbb'は、2DEGの高移動度を反映
して小さくなる。
By the way, in the case of 2DEG-HBT, bipolar and
The epi structure of the FET is the same. Therefore, the fact that the threshold voltage Vth of the FET is positive means a normally-off bipolar transistor in terms of a bipolar transistor. In other words, a state where punch-through occurs between the emitter and the collector. That is, the punch-through collector current Icres flows even when Vbe is small. However, in a region where Vth is as small as about 0 to 0.15 V, the punch-through collector current Icres is extremely small and can usually be ignored. When Vbe is small, 2DEG induces only a small amount, so that the base resistance rbb 'increases. But,
In a region where the collector current density is sufficiently large, 2DEG can be sufficiently induced, and therefore rbb 'becomes small reflecting the high mobility of 2DEG.

【0064】これは、2DEGがコレクタ層に形成される2D
EG-HBTの特徴である。図7はIc-VcE特性図である。
This is because 2DEG is formed on the collector layer.
This is a feature of EG-HBT. FIG. 7 is an Ic-VcE characteristic diagram.

【0065】次に図8(a)-(e)に単一インバータのFET
/バイポーラ状態の変化を図2(b)の(I)-(V)にそれぞれ
対応させて示している。即ち、最初入力電圧Vinが0
VでFETには、僅かの電流が流れている状態(図8
(a))からFET/バイポーラの両方がONしている
状態(図8(c))を経て、バイポーラがOFFして出
力電位が0V近くになる図8(e)まで示している。こ
の時、入力電位が0VからVddまでふれる間に流れるイン
バータ電流Ic、Idを図9(a)に示す。このインバータのス
イッチングが行われるのは、入力電位が、図2(b)の(I
I)、(III)、(VI)に示される三つに分けられる。
Next, FIGS. 8A to 8E show a single inverter FET.
2B shows changes in the bipolar state corresponding to (I)-(V) in FIG. That is, the input voltage Vin is initially 0
At V, a small current flows through the FET (FIG. 8).
FIG. 8 (e) shows a state in which both the FET and the bipolar are turned on (FIG. 8 (c)), and then the bipolar is turned off and the output potential becomes close to 0V as shown in FIG. 8 (e). At this time, FIG. 9A shows the inverter currents Ic and Id flowing while the input potential changes from 0 V to Vdd. The switching of the inverter is performed when the input potential is (I) in FIG.
It is divided into three types shown in (I), (III) and (VI).

【0066】(II) Vth<Vin(Vg)<Vt
c この領域は、図8(b)に示す状態である。インバータ
を流れる電流は、FETの飽和電流Idssを用いて
(II) Vth <Vin (Vg) <Vt
c This region is in the state shown in FIG. The current flowing through the inverter is calculated using the saturation current Idss of the FET.

【0067】[0067]

【数9】 Idss = K(Vin - Vth)2 (数9) と表される。Idss = K (Vin−Vth) 2 (Expression 9)

【0068】(IV)Vtc<Vin(Vg)<Vdd-Vtc この領域は、図8(d)に示す状態である。インバータ
を流れる電流は、活性領域のバイポーラ電流Icであり、
(IV) Vtc <Vin (Vg) <Vdd-Vtc This region is as shown in FIG. 8D. The current flowing through the inverter is a bipolar current Ic in the active region,

【0069】[0069]

【数10】 Ic = A{exp[-β(Vin-Vdd+Vtp)]-1} (数10) と表される。(III)の領域は、FETの飽和領域でのソース
ドレイン電流Idssとバイポーラの活性領域でのコレクタ
電流Icが一致する状態である。
Ic = A {exp [−β (Vin−Vdd + Vtp)] − 1} (Expression 10) The region (III) is a state where the source / drain current Idss in the saturation region of the FET matches the collector current Ic in the bipolar active region.

【0070】この時注意すべきは、入力電位が低い時に
は、バイポーラがONしており、ベース電流Ibが流れ、
入力電位が高い時には、FETがONしており、ゲート
電流Igが流れる。この様子を図9(b)に示す。この二つ
の電流Ig、IbがCMOSインバータと決定的に異なる
点であり、回路の待機時消費電力を多くしてしまう原因
である。
At this time, it should be noted that when the input potential is low, the bipolar is on and the base current Ib flows,
When the input potential is high, the FET is ON and the gate current Ig flows. This is shown in FIG. 9 (b). These two currents Ig and Ib are crucially different from those of the CMOS inverter, and cause the standby power consumption of the circuit to increase.

【0071】次にスイッチングが高速に行われる条件を
議論する。スイッチング過程でのFET、バイポーラの
入力論理振幅をそれぞれΔf、Δbとすると
Next, conditions under which switching is performed at high speed will be discussed. If the input logic amplitudes of the FET and bipolar in the switching process are Δf and Δb, respectively

【0072】[0072]

【数11】 Δf=Vtc - Vth (数11)Δf = Vtc−Vth (Expression 11)

【0073】[0073]

【数12】 Δb=(Vdd - Vtp) - Vtc (数12) と表される。Δf、Δbは先ず正の値でなければない。ス
イッチング過程で流れる電流がインバータ周辺の負荷を
充分速く駆動するには、FET/バイポーラそれぞれ充
分電流を流す必要がある。即ち、Δf、Δbには適切な値
の範囲がある。
Δb = (Vdd−Vtp) −Vtc (Expression 12) Δf and Δb must first be positive values. In order for the current flowing in the switching process to drive the load around the inverter sufficiently fast, it is necessary to allow sufficient current to flow through each of the FET and the bipolar. That is, Δf and Δb have appropriate value ranges.

【0074】GaAs/AlGaAs系ヘテロ構造では、In the GaAs / AlGaAs heterostructure,

【0075】[0075]

【数13】 Δf=400-600 mV (数13)[Expression 13] Δf = 400-600 mV (Expression 13)

【0076】[0076]

【数14】 Δb=100-300 mV (数14)Δb = 100-300 mV (Expression 14)

【0077】[0077]

【数15】 Vtp=1.4-1.5 V (数15)Vtp = 1.4-1.5 V (Equation 15)

【0078】[0078]

【数16】 Vth=0-0.15 V (数16)Vth = 0-0.15 V (Equation 16)

【0079】[0079]

【数17】 Vdd=1.9-2.55 V (数17) ただし、Vdd≡Vth + Δf + Δb + Vtpの範囲であ
る。
Vdd = 1.9−2.55 V (Equation 17) where Vdd≡Vth + Δf + Δb + Vtp.

【0080】入力電位の有効振幅ΔVをThe effective amplitude ΔV of the input potential is

【0081】[0081]

【数18】 ΔV≡Vth + Δf + Δb (数18) と定義すると、Vth=0.1V,Vtp=1.4V,Δf=500 mV,Δ
b=150 mV,Vdd=2.15 V,ΔV=750 mV程度が標準的値
である。
[Expression 18] When defined as ΔV≡Vth + Δf + Δb (Expression 18), Vth = 0.1V, Vtp = 1.4V, Δf = 500 mV, Δ
b = 150 mV, Vdd = 2.15 V, ΔV = about 750 mV are standard values.

【0082】図 9(a)に示すスイッチング時の電流電圧
特性は素子寸法が同じ場合、Imaxが大きい程、またVth
からVdd-Vtpまでのスイング幅が小さいほど高性能とい
える。
The current-voltage characteristics at the time of switching shown in FIG. 9 (a) are as follows.
It can be said that the smaller the swing width from to Vdd-Vtp, the higher the performance.

【0083】CMOSに比べて、K値(FETおよびバイポーラ)
を上記議論したように、大きくできるのでコンプリメン
タリBiFETは、CMOSに比べて高速低消費電力になる。
K value (FET and bipolar) compared to CMOS
As discussed above, complementary BiFETs can be made larger, so they have higher speed and lower power consumption than CMOS.

【0084】次に、バイポーラのベース電流IbとFE
Tのゲート電流IgがコンプリメンタリBiFETに及
ぼす効果を調べるために三連結インバータの特性解析を
図10を用いて行う。この時図10(a)で三個のインバータ
を左から、左、まん中、右のインバータと呼ぶ。多重連
結のコンプリメンタリBiFETの動作解析を通じて図
1(a)に示す単一インバータの問題点を明らかにし、そ
の改良を試みる。図10(a)で一番左側のインバータ入力
がHigh(Hと記入)になり、三番目のインバータ出
力がLow(Lと記入)になっている状態での、電流経
路を実線と破線で示している。実線は電流が大きく流れ
ている状態を破線は電流が少ししか流れていない状態を
示す。バイポーラのベース電流、コレクタ電流をそれぞ
れIb、Ic、FETのソースドレイン電流、ゲート電流
をそれぞれId、Igと記している。各電流に付いている
添字はインバータの場所を示す。ここで注意しなければ
いけないのは、2DEG−HBTのFET特性について
である。図1(b)のJunctionゲート2DEG−
FETの基板バイアス電極46の役割である。良く知ら
れているように、nチャンネルFETのpバッファー層
はショートチャンネル効果の抑制などの正の効果の他
に、寄生ゲート容量の増加を招く等の負の効果ももたら
す。この場合、pバッファー層の電位を固定しないフロ
ーティング状態にする事は希で、通常ソース電位に固定
する事が多い。しかし、図1(b)のJunctionゲ
ート2DEG−FETは、独立したベース電極が二つ存
在するバイポーラトランジスタとみなすこともでき、こ
の場合、pバッファー層はコレクタ層の役割をするの
で、その電位をどうするかが大問題になる。
Next, the bipolar base current Ib and FE
In order to investigate the effect of the gate current Ig of T on the complementary BiFET, a characteristic analysis of the three-connected inverter is performed with reference to FIG. At this time, in FIG. 10 (a), the three inverters are referred to as left, middle, and right inverters from the left. Diagram through operation analysis of multiple-connection complementary BiFET
We clarify the problems of the single inverter shown in 1 (a) and try to improve it. In FIG. 10 (a), the current path is shown by a solid line and a broken line when the leftmost inverter input is High (written as H) and the third inverter output is Low (written as L). ing. The solid line indicates a state where a large amount of current flows, and the broken line indicates a state where a small amount of current flows. The bipolar base current and collector current are denoted by Ib and Ic, respectively, and the source / drain current and gate current of the FET are denoted by Id and Ig, respectively. The subscript attached to each current indicates the location of the inverter. Here, attention should be paid to the FET characteristics of the 2DEG-HBT. The junction gate 2DEG- of FIG. 1 (b)
This is the role of the substrate bias electrode 46 of the FET. As is well known, the p-buffer layer of an n-channel FET has not only a positive effect such as suppression of a short channel effect but also a negative effect such as an increase in parasitic gate capacitance. In this case, it is rare that the potential of the p-buffer layer is set to a floating state in which the potential is not fixed, and is usually fixed to the source potential. However, the junction gate 2DEG-FET of FIG. 1B can be regarded as a bipolar transistor having two independent base electrodes. In this case, the p-buffer layer functions as a collector layer. The big question is what to do.

【0085】大略三つの場合が考えられる。There are roughly three cases.

【0086】(1)ソース電位と一致させる。(2)ゲ
ート電位と一致させる。(3)FETの部分のpバッフ
ァー層をデバイス構造の工夫で、なくしてしまう。
(1) Make it equal to the source potential. (2) Make it equal to the gate potential. (3) The p-buffer layer at the FET is eliminated by devising the device structure.

【0087】特に(1)の場合、ゲート電流Igは、ベ
ースとコレクタをショートした場合の所謂ギャンメルプ
ロットに対応するベース電流とコレクタ電流の和にな
り、通常のJunctionゲートFET((3)に対
応)のゲート電流とは異なる。又、(2)の場合には、
ゲートが能動層を挟んで二つ存在する場合のゲートリー
ク電流になる。
In particular, in the case of (1), the gate current Ig is the sum of the base current and the collector current corresponding to a so-called Gummel plot when the base and the collector are short-circuited, and is applied to the normal junction gate FET ((3)). Corresponding) gate current. In the case of (2),
This is a gate leakage current when there are two gates sandwiching the active layer.

【0088】以下では図1に示す本発明のコンプリメン
タリBiFETの消費電力に係る問題点を抽出する目的で、
孤立した三連結インバータの特性解析を定性的に行う。
ここで孤立したとは、図10(a)の三連結インバータの左
側のインバータの入力に流れ込む電流Ig0及び、右側の
インバータの出力に流れ込む電流Id3の効果は、無視す
る。又、FETのpバッファー層電位は、上述した三つ
の場合が存在するが、一応(1)の場合を想定して議論
する。これは、この場合が最も消費電力を大きくするの
で、このケースを議論しておけば他の二つは、さらに、
低消費電力になるためである。図10(b)にまん中のイン
バータの入出力特性を図2(b)になぞらえて示す。図中Vb
c=0Vのライン(点線で表示)とインバータ入出力曲線がク
ロスする点の入力電位をVout2と定義すると、これは、
インバータ特性(III)の状態で、図8(c)のVout2に対
応する。図10(b)の縦軸は、出力電位Voutであるが、こ
れは、FET部分のソースドレイン電圧Vsdである。横軸
の入力電位VinはFET部分のゲート電圧Vgである。FE
TのI-V特性で、非飽和領域から飽和領域へ遷移する
ソースドレイン電圧をVssと定義するとVssはVg - Vth
の関数(図中、点線で表示)になっておりVg - Vth=
0Vの時Vss=0Vとなる。この関数とインバータ入出
力曲線がクロスする点の入力電位をVout3と定義する
と、これは、インバータ特性(III)の状態で、図8(c)
のVout3に対応する。
In the following, for the purpose of extracting the problem relating to the power consumption of the complementary BiFET of the present invention shown in FIG.
A qualitative analysis of the characteristics of an isolated three-connected inverter is performed.
Here, “isolated” ignores the effect of the current Ig0 flowing into the input of the left inverter and the current Id3 flowing into the output of the right inverter of the three-connected inverter in FIG. 10A. Although there are the above three cases for the p-buffer layer potential of the FET, discussion will be made assuming the case of (1). This is the most power consuming in this case, so if we discuss this case, the other two
This is because power consumption is reduced. FIG. 10 (b) shows the input / output characteristics of the middle inverter, compared to FIG. 2 (b). Vb in the figure
If the input potential at the point where the c = 0V line (indicated by the dotted line) and the inverter input / output curve cross is defined as Vout 2 ,
The state of the inverter characteristic (III) corresponds to Vout 2 in FIG. 8 (c). The vertical axis in FIG. 10B is the output potential Vout, which is the source / drain voltage Vsd of the FET portion. The input potential Vin on the horizontal axis is the gate voltage Vg of the FET portion. FE
In the IV characteristic of T, if the source-drain voltage transitioning from the unsaturated region to the saturated region is defined as Vss, Vss becomes Vg-Vth
(Indicated by the dotted line in the figure), and Vg-Vth =
At 0V, Vss = 0V. If the input potential at the point where this function intersects with the inverter input / output curve is defined as Vout 3 , this is obtained in the state of the inverter characteristic (III) in FIG.
Vout 3 of FIG.

【0089】次に、まん中のコンプリメンタリBiFE
Tの両側の電流−電圧特性の解析を図11−図17にしめ
す。このとき、図11(a)-図17(a)は、左側と真中の、図1
1(b)-図17(b)は、右側とまんなかの電流−電圧特性をし
めす。この各状態に対応する電流には保存則が成り立
つ。入力電圧が最低の時、即ち、Vin=VLの時の電流電
圧特性を図11(a),(b)にしめす。この時、待機電流とし
てベース電流Ibmaxとゲート電流Igmaxが流れてしま
う。入力電位が、大きくなるに従って図12,13,14の状態
を経て、まん中のコンプリメンタリBiFETのコレク
タ電流Ic2とソースドレイン電流Id2が一致する状態図
15(b)を経て(この時流れる最大電流をImaxとしるす)、
入力電圧が最高の時、即ち、Vin=VHの時の電流電圧特
性を図17(a),(b)に示す状態に落ち着く。この時も、待
機電流としてベース電流Ibmaxとゲート電流Igmaxが流
れてしまう。すぐに分かるように、IbmaxとIgmaxはデ
バイス寸法にも依存するが、通常の論理回路や記憶回路
では、簡単に数mAから数十mAになってしまう。これ
を下げるには、電源電圧Vddを下げるしかなく、FET
/バイポーラの論理振幅が下がり、回路のスピードはお
そくなる。これでは、従来技術のところで述べたS.F
ujitaらのコンプリメンタリGaAsFETと同じ
問題を抱えてしまう。コンプリメンタリBiFET低消費電
力で使うには、インバータのスイッチング時の電流Imax
を充分確保しながら、IbmaxとIgmaxを極力減らす構造
に改良する必要がある。
Next, the middle complementary BiFE
An analysis of the current-voltage characteristics on both sides of T is shown in FIGS. At this time, FIG. 11 (a) to FIG. 17 (a)
1 (b) -FIG. 17 (b) shows the current-voltage characteristics in the right side and the middle. The conservation law holds for the current corresponding to each state. 11 (a) and 11 (b) show the current-voltage characteristics when the input voltage is the lowest, that is, when Vin = VL. At this time, the base current Ibmax and the gate current Igmax flow as the standby current. A state diagram in which the collector current Ic2 and the source / drain current Id2 of the middle complementary BiFET match through the states of FIGS. 12, 13, and 14 as the input potential increases.
After 15 (b) (let the maximum current flowing at this time be Imax),
When the input voltage is the highest, that is, when Vin = VH, the current-voltage characteristics settle in the states shown in FIGS. 17 (a) and (b). Also at this time, the base current Ibmax and the gate current Igmax flow as the standby current. As can be seen immediately, Ibmax and Igmax also depend on the device size, but are easily reduced from several mA to several tens mA in a normal logic circuit or storage circuit. The only way to reduce this is to lower the power supply voltage Vdd.
/ The logic amplitude of the bipolar is reduced, and the speed of the circuit is reduced. In this case, the S.I. F
Ujita et al. have the same problem as the complementary GaAs FET. In order to use the complementary BiFET with low power consumption, the current Imax at the time of inverter switching is
It is necessary to improve the structure so as to reduce Ibmax and Igmax as much as possible while ensuring sufficient values.

【0090】但し、ここで注意すべきであるのは、この
ままでもGaAsFETのコンプリメンタリ回路と同程
度の消費電力であり、通常の化合物半導体GaAsFE
Tのデプリーション型FETを負荷とし、エンハンスメ
ント型FETをドライバーとするDCFL論理(例え
ば、M.Abe 他、HEMT LSI technology for high speed c
omputers, Tech.Dig. GaAs IC Symposium,p.158,1983.
を参照されたい。)に比べれば、約十分の一の消費電力
を確保し、2−4倍高速にできる。
However, what should be noted here is that the power consumption is almost the same as that of the complementary circuit of the GaAs FET, and the normal compound semiconductor GaAsFE is used.
DCFL logic using a depletion type FET of T as a load and an enhancement type FET as a driver (eg, M. Abe et al., HEMT LSI technology for high speed c
omputers, Tech.Dig.GaAs IC Symposium, p.158, 1983.
Please refer to. ), About one-tenth of the power consumption can be secured and the speed can be increased by 2 to 4 times.

【0091】しかし、CMOS論理に比べれば、消費電力の
点で、10倍近く大きくなってしまう。
However, compared to CMOS logic, the power consumption is nearly ten times larger.

【0092】以上の解析で明らかになった問題点は、 (1)バイポーラを動作させるためには、ベース電流を
流す事が必要不可避であり、ベース電流を低減する事
が、低消費電力化には不可欠である。
The problems clarified by the above analysis are as follows: (1) In order to operate the bipolar transistor, it is indispensable to supply a base current, and reducing the base current leads to lower power consumption. Is essential.

【0093】(2)2DEG−HBTのFET化では、
ゲートリーク電流を押さえるデバイス構造が低消費電力
化には不可欠である。
(2) In making the 2DEG-HBT an FET,
A device structure that suppresses gate leakage current is indispensable for reducing power consumption.

【0094】(3)インバータの入力と出力がアンバラ
ンスである。即ち、有効な入力電圧の範囲は、0−1V
程度であるが、出力は、0−Vddまでと広過ぎる。であ
る。
(3) The input and output of the inverter are unbalanced. That is, the effective input voltage range is 0-1V
To the extent, the output is too wide, up to 0-Vdd. It is.

【0095】次に、この改良法について二つの対策を説
明する。
Next, two measures for this improved method will be described.

【0096】バイポーラを動作させるのに、ベース電流
をゼロにする事はできない。そこで、ベースに図18(a)
に示す様な電流-電圧特性を有するデバイス(最大電流I
o)を繋ぎ、Vbe=Vddとなった時に流れてしまう最大ベ
ース電流IbmaxをIoにおきかえてやる。こうする事で、
ベースを通じて流れる最大電流はIoになる。例えば、Io
として、0.1-100 μAに設計しておくことで、消費電力
を押さえることができる。このIoの値は最大ベース電流
Ibmaxが通常数mAから数十mAである事を考えると桁違い
に小さい値である。しかし、ベース電流がIoの時、コレ
クタ電流Ic0を十分大きく確保しなければ、バイポーラ
トランジスタの高速性を維持できない。
In order to operate the bipolar transistor, the base current cannot be reduced to zero. Therefore, Fig. 18 (a)
Devices with current-voltage characteristics as shown in (Maximum current I
o), and replaces the maximum base current Ibmax that flows when Vbe = Vdd with Io. By doing this,
The maximum current flowing through the base is Io. For example, Io
As a result, the power consumption can be suppressed by designing to 0.1-100 μA. This value of Io is an order of magnitude smaller considering that the maximum base current Ibmax is usually several mA to several tens mA. However, when the base current is Io, the high speed of the bipolar transistor cannot be maintained unless the collector current Ic0 is sufficiently large.

【0097】但し、この場合、ベース電流の低下ととも
に、コレクタ電流も低下して、負荷駆動能力も下げるの
で、電流増幅率hfeが、1000-100000程度の巨大hfeを
持つ様にHBTを設計する必要がある。Io=1μAの場
合、hfe=1000-3000が必要になる。即ち、最大流れるコ
レクタ電流は、
However, in this case, the collector current decreases as the base current decreases, and the load driving capability also decreases. Therefore, it is necessary to design the HBT so that the current amplification factor hfe has a huge hfe of about 1000 to 10000. There is. When Io = 1 μA, hfe = 1000-3000 is required. In other words, the maximum flowing collector current is

【0098】[0098]

【数19】 Icmax=hfe*Io (数19) となりIoによるパワーPは、Icmax = hfe * Io (Equation 19) The power P due to Io is

【0099】[0099]

【数20】 P=Vdd*Io (数20) と表せ、システムの要求に応じて消費電力が決まるとそ
れに応じて最大ベース電流Ioがきまり、要求されるスピ
ードに応じてIcmaxがきまり、これを実現させるhfeも
決まり、デバイス構造がきまる。
P = Vdd * Io (Equation 20), and when the power consumption is determined according to the requirements of the system, the maximum base current Io is determined accordingly, and the Icmax is determined according to the required speed. The hfe to be realized is also determined, and the device structure is determined.

【0100】この様にベース電流を制限するデバイス
(カレントリミター)をいれることで、ベースコレクタ
をショートした場合のギャンメルプロットは、図18(b)
に示す様に変化する。即ち、ベース電流がIoでリミット
されているので、これに、伴いコレクタ電流も飽和す
る。図18(b)に、カレントリミターがない場合(点線)
からある場合(実線)の様子を示している。ここで、も
う一度注意すべきは、ベース電流Ioにより、コレクタ電
流IcがIcmax=hfe*Ioに制限されるため、負荷駆動能
力が落ちないように、回路スピードの要求に応じて、電
流増幅率hfeを大きく決める必要がある。
By including a device (current limiter) for limiting the base current in this way, the Gummel plot when the base collector is short-circuited is shown in FIG.
It changes as shown in. That is, since the base current is limited by Io, the collector current also saturates accordingly. Figure 18 (b), when there is no current limiter (dotted line)
(Solid line). Here, it should be noted once again that the collector current Ic is limited to Icmax = hfe * Io by the base current Io, so that the current amplification factor hfe is adjusted according to the circuit speed requirement so that the load driving capability does not decrease. It is necessary to largely decide.

【0101】一方ゲートリーク電流Igは、ゲートにダイ
オードを直列に挿入することで回避できる。即ち、FE
Tのゲートにかかる電圧を0−1V程度にできるためI
gmaxを数mAから数十mAから、例えば、0.1-100 μAに設
計できる。このゲートリーク電流の値は、ダイオードの
電圧シフト量ΔVや電源電圧Vdd、ダイオードの形状に
依存するが設計できるパラメータである。この時、ダイ
オードの容量が回路のスピードをあまり落す事の無いよ
うに設計する必要がある。更に、このダイオードは、少
数キャリヤの蓄積効果が生じるpn接合型のダイオードで
は、高速性の観点から好ましくない。化合物半導体で
は、良好なヘテロ接合を形成できるので、ヘテロ接合を
利用してダイオード特性を実現できるが、実施例で詳し
く説明する。ここでは、ダイオードという言葉で代表さ
せる。電圧シフト量ΔVは、0Vから1-2Vまで、設計者の
意図した様に決められる。ダイオードの挿入する位置に
応じて、具体的なインバータ形式が図19(a)、(b)に示す
二種類考えられる。図19(a)に対応するダイオードの電
圧シフト量ΔVをΔVgdとし、図19(b)に対応するダイ
オードの電圧シフト量ΔVをΔVddとする。図19(a)の
場合、ダイオードが直接FETのゲートに結合してい
る。しかしこの場合、インバータの入出力電位は0−V
ddの範囲で振れるため、不必要に論理振幅が大きくなっ
てしまう。
On the other hand, the gate leakage current Ig can be avoided by inserting a diode in the gate in series. That is, FE
Since the voltage applied to the gate of T can be set to about 0-1 V, I
The gmax can be designed from several mA to several tens mA, for example, 0.1-100 μA. The value of the gate leakage current is a parameter that can be designed although it depends on the voltage shift amount ΔV of the diode, the power supply voltage Vdd, and the shape of the diode. At this time, it is necessary to design so that the capacity of the diode does not significantly reduce the speed of the circuit. Further, this diode is not preferable from the viewpoint of high speed in the case of a pn junction type diode in which an effect of accumulating minority carriers occurs. Since a compound semiconductor can form a favorable heterojunction, diode characteristics can be realized using the heterojunction, which will be described in detail in Examples. Here, it is represented by the word diode. The voltage shift amount ΔV is determined from 0 V to 1-2 V as intended by the designer. According to the position where the diode is inserted, there are two types of concrete inverters shown in FIGS. 19 (a) and (b). The voltage shift amount ΔV of the diode corresponding to FIG. 19A is represented by ΔVgd, and the voltage shift amount ΔV of the diode corresponding to FIG. 19B is represented by ΔVdd. In the case of FIG. 19A, the diode is directly connected to the gate of the FET. However, in this case, the input / output potential of the inverter is 0-V
Since it swings in the range of dd, the logic amplitude becomes unnecessarily large.

【0102】そこで、図19 (b)に示す様に、ダイオード
をバイポーラのコレクタ側に挿入する事で、インバータ
の入出力電位の範囲を0−(Vdd−ΔVdd)に変える事
ができるので、入出力特性のアンバランスは、改善でき
る。この電圧シフトΔVddの回路性能に与える影響は、
以下に述べる3入力NAND回路と3入力NOR回路でF
ET、バイポーラをそれぞれ三個ずつ縦積みにする時
に、電源電圧が充分か否かで問題になる。そこで、以上
の説明では、ダイオードは一個だけ挿入する事を想定し
ているが、シフトしたい電圧量の値ΔVに応じて、複数
個のダイオードに置き換えてもよい。さらには、図20
(a)に示す様に、図19 (a)と図19 (b)に示す二つのタイ
プを合わせて用いてもよい。ダイオードの形成法や電圧
シフト量ΔVgの値については、実施例のところで詳し
く説明する。
Therefore, as shown in FIG. 19 (b), by inserting a diode on the collector side of the bipolar, the range of the input / output potential of the inverter can be changed to 0− (Vdd−ΔVdd). The imbalance in output characteristics can be improved. The effect of this voltage shift ΔVdd on circuit performance is:
A 3-input NAND circuit and a 3-input NOR circuit described below
When three ETs and three bipolars are stacked vertically, a problem arises depending on whether the power supply voltage is sufficient. Therefore, in the above description, it is assumed that only one diode is inserted. However, the diode may be replaced with a plurality of diodes according to the value ΔV of the voltage amount to be shifted. Furthermore, FIG.
As shown in (a), the two types shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b) may be used in combination. The method of forming the diode and the value of the voltage shift amount ΔVg will be described in detail in Examples.

【0103】この様なダイオードを挿入したコンプリメ
ンタリBiFETの動作特性の改善について図 21,22を用い
て説明する。 図 21 (a),(b)に、多重連結インバータの
電流-電圧特性の改善例を示す。これは、図 11 (a),(b)
に対応する。図 18,19,20に示したダイオードを挿入し
たコンプリメンタリBiFETを用いた多重連結インバータ
(図 10 (a))で 入力がLowで出力がHighの時の、左側と
真中のインバータの電流電圧特性が図 21 (a)である。
図 21 (a)に示すように、カレントリミターのためにベ
ース電流Ib1はIoに押さえられ、ゲート電圧がHighにな
っているFET(点線でI-V特性を示す。)のソースドレイン
電流がIoになるソースドレイン電圧Vsdがインバータの
Lowレヴェル VLを与える。一方、右側と真中のイン
バータの電流電圧特性が図 21 (b)である。コレクタに
挿入されたダイオードのためにバイポーラのIc-Vce特性
にオフセット電圧ΔVddができる。一方、FETのゲート
に接続されたダイオードのためにゲートリーク電流Ig2
の立上り電圧がVfnからΔVgdだけシフトする。この
時、流れる電流がIg0である。図中点線で、ダイオード
の挿入されていない場合のI-V特性をしめす。この時、
インバータのHighレヴェルVHは、 (1) Vfn + ΔVgd + ΔVdd ≦ Vdd の時
The improvement of the operating characteristics of a complementary BiFET in which such a diode is inserted will be described with reference to FIGS. FIGS. 21 (a) and 21 (b) show examples of the improvement of the current-voltage characteristics of the multiplexed inverter. This is shown in Fig. 11 (a), (b)
Corresponding to Multiple-connected inverter using complementary BiFETs with diodes inserted as shown in Figures 18, 19 and 20
When the input is low and the output is high in (Fig. 10 (a)), the current-voltage characteristics of the left and middle inverters are shown in Fig. 21 (a).
As shown in FIG. 21 (a), the base current Ib1 is suppressed to Io due to the current limiter, and the source / drain current of the FET whose gate voltage is high (showing the IV characteristics by the dotted line) becomes Io. The source / drain voltage Vsd gives the low level VL of the inverter. On the other hand, the current-voltage characteristics of the right and middle inverters are shown in FIG. 21 (b). Due to the diode inserted in the collector, an offset voltage ΔVdd is generated in the bipolar Ic-Vce characteristic. On the other hand, due to the diode connected to the gate of the FET, the gate leakage current Ig2
Rises from Vfn by ΔVgd. At this time, the flowing current is Ig0. The IV characteristic when no diode is inserted is shown by the dotted line in the figure. At this time,
The high level VH of the inverter is: (1) When Vfn + ΔVgd + ΔVdd ≤ Vdd

【0104】[0104]

【数21】 Vfn + ΔVgd ≦ VH Vdd - ΔVdd (数21) (2) Vfn + ΔVgd + ΔVdd > Vdd の時[Equation 21] Vfn + ΔVgd ≦ VH Vdd−ΔVdd (Equation 21) (2) When Vfn + ΔVgd + ΔVdd> Vdd

【0105】[0105]

【数22】 VH≒ Vdd (数22) となる。VH22Vdd (Expression 22)

【0106】次に、真中のインバータのI-V特性が決ま
る様子の例を図 22 (a)(b)に示す。これは、それぞれ、
図 8 (b)、(c)に対応する状態である。この時、状態図
22 (b)では、
Next, FIGS. 22 (a) and 22 (b) show examples in which the IV characteristic of the middle inverter is determined. This is
This is the state corresponding to FIGS. 8 (b) and (c). At this time, the state diagram
22 (b)

【0107】[0107]

【数23】 Vout2 − Vout3 > ΔVdd (数23) の範囲に設計するときに、回路のスピードが速くなる。
この時、図 9 (a)に示すインバータ自身のI-V特性は基
本的には、変わらない。ただし、図 9 (b)に示すリーク
電流は、IbmaxがIoに、IgmaxがIg0にそれぞれ押さえら
れる。
(23) When designing in the range of Vout2−Vout3> ΔVdd (Equation 23), the speed of the circuit is increased.
At this time, the IV characteristics of the inverter itself shown in FIG. 9A basically do not change. However, in the leak current shown in FIG. 9B, Ibmax is suppressed to Io and Igmax is suppressed to Ig0.

【0108】一般に、任意の論理回路は、NANDかN
ORが構成できれば実現できる事は、よく知られてい
る。そこで、本発明を3入力NAND回路(図23-図26)
に、3入力NOR回路(図27-図30)に適用した場合をそれ
ぞれ示す。次に、これらの回路が高速で動作するための
一般的な条件について述べる。インバータ特性、図8
(c)、即ち、領域(III)で単一のFETが、飽和する
ソースドレイン電圧Vss、バイポーラが飽和領域から非
飽和領域へ移るエミッタコレクタ電圧をVcessとする。
In general, an arbitrary logic circuit is a NAND or N
It is well known that OR can be realized if it can be configured. Therefore, the present invention relates to a three-input NAND circuit (FIGS.
FIG. 27 shows a case where the present invention is applied to a three-input NOR circuit (FIGS. 27 to 30). Next, general conditions for operating these circuits at high speed will be described. Inverter characteristics, Fig. 8
(C), that is, the source-drain voltage Vss at which the single FET saturates in the region (III) and the emitter-collector voltage at which the bipolar shifts from the saturated region to the non-saturated region are Vcess.

【0109】NAND回路では、3入力NAND回路が
高速動作するには、
In a NAND circuit, in order for a three-input NAND circuit to operate at high speed,

【0110】[0110]

【数24】 3Vss + Vcess + ΔVdd ≦ Vdd (数24) を満足する必要がある。It is necessary to satisfy 3Vss + Vcess + ΔVdd ≦ Vdd (Equation 24)

【0111】一方、3入力NOR回路では、On the other hand, in a three-input NOR circuit,

【0112】[0112]

【数25】 Vss + 3Vcess + ΔVdd ≦ Vdd (数25) を満足する必要がある。It is necessary to satisfy Vss + 3Vcess + ΔVdd ≦ Vdd (Equation 25)

【0113】又、FETの性能を保つためには、ΔVgd
は、小さいほうが、望ましい。現実的に回路を構成する
時には、目的に応じてΔVddとΔVgdの振り分けを考え
る必要がある。
To maintain the performance of the FET, ΔVgd
The smaller the better. When actually configuring a circuit, it is necessary to consider the distribution of ΔVdd and ΔVgd according to the purpose.

【0114】この様に、カレントリミターやダイオード
を挿入する事で待機時の消費電力をゲートあたり、μW
から数十μWまでに低減する事ができる。そこで、回路
の基本構成となるコンプリメンタリBiFETで論理回路の
例では、ゲートあたり、1-10 psec程度の超高速で、10
μW以下の超低消費電力を同じに実現できる様になっ
た。次に、記憶回路に本発明のコンプリメンタリBiFET
を用いた場合の回路構成を図31,32に示す。図31,32に
は、SRAM(スタチック ランダム アクセス メモリ)
の基本メモリ回路に応用した場合の例をに示す。ここで
は、個別的に各回路の動作説明は、避けるがどの回路も
高速低消費電力動作をする事ができる。デバイスプロセ
ス的には、2DEG−HBTの場合、FET/バイポー
ラを同一エピ構造できるので、ホトリソグラフィーの回
数を2/3程度、セル面積を1/2−1/3程度にでき
る。
As described above, by inserting a current limiter and a diode, the power consumption during standby can be reduced by μW
To several tens of microwatts. Therefore, in the example of a logic circuit using a complementary BiFET, which is the basic configuration of the circuit, an ultra-high speed of about 1-10 psec per gate and 10
Ultra-low power consumption of less than μW can be realized in the same way. Next, the complementary BiFET of the present invention is added to the memory circuit.
31 and 32 show circuit configurations in the case of using. Figures 31 and 32 show SRAM (Static Random Access Memory)
An example in which the present invention is applied to the basic memory circuit shown in FIG. Here, the operation of each circuit will be individually described, but any circuit can operate at high speed with low power consumption. Regarding the device process, in the case of the 2DEG-HBT, the FET / bipolar can have the same epi structure, so that the number of times of photolithography can be reduced to about / and the cell area can be reduced to about 2− to 3.

【0115】この様な、回路を構成するデバイス断面構
造は、実施例で詳しくのべる。
Such a device cross-sectional structure forming a circuit will be described in detail in Examples.

【0116】更に、2DEG-HBTの特徴は、同一エピ構造
で、以上述べた様々な回路をマスクパターンを変えるだ
けで、プロセスはほとんど同一で以上述べた様々な回路
を実現できる点に特徴がある。Si(シリコン)のLSIで
は、主としてシリコン基板にイオン注入を行うことで、
様々な素子や回路を作り分ける事を特徴としている。し
かし、化合物半導体GaAsのヘテロ接合デバイスは、MB
E、MOCVD、MOMBEなどのエピ技術を用いて形成される所
に、プロセス上の最大の特徴がある。そのため、最初
に、必要な素子の本質的部分は形成されている必要があ
る。この時、同一エピ構造で、より多くの素子が同時に
できる事が、目的とするシステムの設計に有用である。
2DEG-HBTは、そのような可能性を有する素子である。
Further, a feature of the 2DEG-HBT is that the above-described various circuits can be realized with the same epi structure and the various circuits described above can be realized by changing the mask pattern only by changing the mask pattern. . In Si (silicon) LSI, ion implantation is mainly performed on the silicon substrate,
It is characterized by making various elements and circuits. However, compound semiconductor GaAs heterojunction devices
The greatest feature in the process is that it is formed using epi technology such as E, MOCVD, and MOMBE. Therefore, the essential parts of the required elements must first be formed. At this time, the fact that more elements can be formed simultaneously with the same epi structure is useful for designing a target system.
2DEG-HBT is an element that has such a possibility.

【0117】最後に、オフセット電圧に関して述べる。
通常のDHBTでは、ベースエミッタ間電流の立上り電
圧とベースコレクタ間電流の立上り電圧の差等から、I
c−Vce特性において、図6(a)に示す様なオフセット
電圧Vceoffが生じる事が知られている。このような、
オフセット電圧Vceoffがある場合のコンプリメンタリ
BiFETの動作解析は、基本的には、ΔVddにVceof
fが加わったとして理解できる。オフセット電圧Vceoff
を如何に設定するからは、実現したい回路性能(スピー
ド、消費電力)に応じてデバイス断面のエピ構造で決定
する事ができる。
Finally, the offset voltage will be described.
In a normal DHBT, the difference between the rising voltage of the base-emitter current and the rising voltage of the base-collector current, etc.
It is known that an offset voltage Vceoff as shown in FIG. 6A occurs in the c-Vce characteristic. like this,
The operation analysis of the complementary BiFET in the presence of the offset voltage Vceoff basically indicates that Vceof
It can be understood that f has been added. Offset voltage Vceoff
Can be determined by the epi structure of the device cross section according to the circuit performance (speed, power consumption) to be realized.

【0118】又、カレントリミターの代わりに図 20
(b)に示す様に、バイポーラのベース領域に抵抗 RBを
挿入してやる事で、低消費電力化する事もできる。しか
し、高抵抗RBの充放電に時間を用し、速度は少し遅く
なる。又、カレントリミターを流れるIoでベース電流を
制限すると、トランジスタがオンするときは、カレント
リミターの立上り特性を使うので、低抵抗であり速度は
おちない。しかし、トランジスタがオフする時ベース電
流がIoで制限されるのでベース部分に大きな負荷が付く
とスピードが落ちてしまうので、回路設計上注意が必要
である。
Also, in place of the current limiter, FIG.
As shown in (b), the power consumption can be reduced by inserting the resistor RB in the bipolar base region. However, time is used for charging and discharging the high resistance RB, and the speed is slightly reduced. Also, if the base current is limited by Io flowing through the current limiter, when the transistor is turned on, the rising characteristic of the current limiter is used, so that the resistance is low and the speed is low. However, when the transistor is turned off, the base current is limited by Io, so that if a large load is applied to the base portion, the speed is reduced, so that care must be taken in circuit design.

【0119】[0119]

【実施例】以下に本発明を実施例を通じて更に詳しく説
明する。特に、エピ構造やカレントリミター(図 18(a))
やダイオード等を詳しく説明する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. In particular, epi structure and current limiter (Fig. 18 (a))
And diodes will be described in detail.

【0120】〈実施例1〉図 1に示す本発明の原形と
なる素子構造(図 1(b))の具体的エピ構造の構成につい
て先ず説明する。半絶縁性GaAs基板 30 上にMBE(分子線
エピタキシー)により、Beを3×1019/cm3含有するp型 Ga
As 31 を 400 nm、同じドーピングレヴェルのp型 AlxGa
1-xAs(x=0.45) 32 を 400 nm、アンドープAlyGa1-yAs(y
=0.45) 33を 300 nm、アンドープGaAs34 を 30 nm、Si
を3×1018/cm3含有するn型 AlzGa1-zAs(z=0.30) 35 を
25 nm、Beを2×1019/cm3含有するp型 AluGa1-uAs(u=0.4
5) 36 を 200 nm、形成した。その後、WSiからなる高耐
熱金属を300 nm被着させ、Junctionゲート2DEG-FET部分
のゲート電極45と2DEGベースPNpHBTのエミッタ電極40を
形成した。次に、ベース、ソース、ドレインを形成する
ため、ゲート、エミッタ電極をマスクにしてp型 AluGa1
-uAs(u=0.45) 36 を除去し、Siを30keVの加速電圧でド
ース量1×1013/cm2だけイオン注入し、800 ℃ 30秒のラ
ンプアニールを行いSiを活性化した。ベース抵抗やソー
スゲート抵抗の低減を目的に、イオン注入領域37が形成
されている。次に、ソース電極43、ドレイン電極44、ベ
ース電極41が、通常のAuGe/Ni/Auを用いて形成した。次
に、エミッタベース領域とFET領域をマスクにして、半
導体領域、35,34,33をエッチング除去した。更に素子間
の電気的分離をするため、FET部分とバイポーラ部分を
基板までエッチング除去した。
<Example 1> First, a specific epi structure of the element structure (FIG. 1 (b)) which is a prototype of the present invention shown in FIG. 1 will be described. P-type Ga containing 3 × 10 19 / cm 3 of Be on a semi-insulating GaAs substrate 30 by MBE (molecular beam epitaxy).
As 31 400 nm, p-type AlxGa with same doping level
1-xAs (x = 0.45) 32 to 400 nm, undoped AlyGa1-yAs (y
= 0.45) 33 for 300 nm, undoped GaAs34 for 30 nm, Si
3 × 10 18 / cm 3 containing n-type AlzGa1-zAs (z = 0.30) 35
25 nm, p-type AluGa1-uAs containing Be at 2 × 10 19 / cm 3 (u = 0.4
5) 200 nm of 36 was formed. Thereafter, a high heat-resistant metal made of WSi was applied to a thickness of 300 nm to form a gate electrode 45 of the junction gate 2DEG-FET and an emitter electrode 40 of 2DEG base PNpHBT. Next, to form the base, source and drain, p-type AluGa1
-uAs (u = 0.45) 36 was removed, Si was ion-implanted at an acceleration voltage of 30 keV by a dose of 1 × 10 13 / cm 2 , and lamp annealing was performed at 800 ° C. for 30 seconds to activate Si. An ion implantation region 37 is formed for the purpose of reducing the base resistance and the source gate resistance. Next, the source electrode 43, the drain electrode 44, and the base electrode 41 were formed using normal AuGe / Ni / Au. Next, using the emitter base region and the FET region as a mask, the semiconductor regions 35, 34, and 33 were removed by etching. Further, in order to electrically separate the elements, the FET portion and the bipolar portion were removed by etching to the substrate.

【0121】AuZn/Auを用いて、コレクタ電極42、基板
バイアス電極 46を形成した。次に、通常の二層配線技
術を用いて、バイポーラのベース電極とFETのゲート電
極、バイポーラのコレクタ電極とFETのドレイン電極を
それぞれ結線した。この実施例では、FETの基板バイア
ス電極 46とFETのソース電極43 を結線後、アースし、
バイポーラのエミッタ電極を電源電圧 Vdd(今の場
合、2.0 V)に接続した。p型不純物としては、Beの
他に、拡散しにくいC(カーボン)やMg(マグネシウム)を
用いる事ができる。結晶成長技術としては、MBEの他
に、MOMBE,MOCVDなども可能である。
A collector electrode 42 and a substrate bias electrode 46 were formed using AuZn / Au. Next, the bipolar base electrode was connected to the gate electrode of the FET, and the bipolar collector electrode and the drain electrode of the FET were connected using the usual two-layer wiring technique. In this embodiment, after connecting the substrate bias electrode 46 of the FET and the source electrode 43 of the FET, they are grounded,
The bipolar emitter electrode was connected to a power supply voltage Vdd (in this case, 2.0 V). As the p-type impurity, besides Be, C (carbon) or Mg (magnesium), which hardly diffuses, can be used. As a crystal growth technique, MOMBE, MOCVD, etc. can be used in addition to MBE.

【0122】〈実施例2〉本試作の2DEG-HBTのFETとし
てのしきい値電圧 Vthは、ゲート長0.7μmのサンプルで
は、0.1 Vを中心として、プラスマイナス0.1 Vのバラツ
キがあった。そこで、しきい値電圧 Vthの制御性を高
め、ソースゲート抵抗 Rsgを低減する目的で、実施例 1
のエピ構造上に引き続いて、Beを2×1019/cm3含有する
p型 GaAs 55を50 nm更に、Beを2×1020/cm3含有するp型
GaAs 56 を 20 nm、形成した。その後、ゲート部分の
加工の後、図 34 (a)に示す様にMOCVD(有機金属熱分解
法)による選択成長を用いて、ソースゲート領域及びベ
ース領域に厚膜n型GaAs層(Siのドーピングレヴェルは3
×1018/cm3、膜厚 160 nm)50を形成した。この時、Rsg
はトランジスタ幅 W=10μmで80 Ωであった。Vg-Vth =
0.6 Vの時、相互コンダクタンスGm = 350 mS、Idss =
1.05mAであった。バイポーラ特性としては、エミッタ寸
法 2×3μm2で、コレクタ電流 Icは、3.0 mAの時、電流
増幅率 hfe = 1500であった。
<Example 2> The threshold voltage Vth of the 2DEG-HBT of this prototype as a FET varied ± 0.1 V around 0.1 V in the sample having a gate length of 0.7 μm. Therefore, in order to improve the controllability of the threshold voltage Vth and reduce the source-gate resistance Rsg, the first embodiment is used.
Followed by Be containing 2 × 10 19 / cm 3
p-type 50-nm GaAs 55 and p-type containing 2 × 10 20 / cm 3 Be
20 nm of GaAs 56 was formed. Thereafter, after processing the gate portion, as shown in FIG. 34 (a), using a selective growth by MOCVD (metal-organic thermal decomposition), a thick n-type GaAs layer (Si doping) is formed in the source gate region and the base region. Level 3
× 10 18 / cm 3 , thickness 160 nm) 50. At this time, Rsg
Was 80 Ω at a transistor width W = 10 μm. Vg-Vth =
At 0.6 V, transconductance Gm = 350 mS, Idss =
1.05 mA. As the bipolar characteristics, when the emitter size was 2 × 3 μm 2 and the collector current Ic was 3.0 mA, the current amplification factor hfe was 1500.

【0123】〈実施例3〉次に、電流増幅率 hfeを巨
大にする時の実施例を図 34 (b)にしめす。2DEG-HBTで
巨大電流増幅率 hfeを実現するには、基本的には、ベ
ースである2DEGがp型AluGa1-uAs(u=0.45) 36 エミッタ
層への注入を更に押さえる必要がある。そこで、GaAsよ
りさらにバンドギャップの小さい高純度 InwGa1-wAs(w
はIn組成)234を20 nmだけ GaAs層34の上に結晶成長中に
挿入してやる。結晶成長後のプロセス技術は、実施例 2
と同じである。In組成wは、0.15に選んだ。この時、エ
ミッタ寸法 2×5μm2で電流増幅率は15000であった。
<Embodiment 3> FIG. 34B shows an embodiment in which the current amplification factor hfe is increased. In order to realize a huge current amplification factor hfe with a 2DEG-HBT, it is basically necessary for the base 2DEG to further suppress the injection into the p-type AluGa1-uAs (u = 0.45) 36 emitter layer. Therefore, high-purity InwGa1-wAs (w
(In composition) 234 is inserted into the GaAs layer 34 by 20 nm during crystal growth. The process technology after crystal growth is described in Example 2.
Is the same as In composition w was selected to be 0.15. At this time, the current amplification factor was 15000 with the emitter dimensions of 2 × 5 μm 2 .

【0124】更に、p型 AluGa1-uAs 36 エミッタ層のAl
組成uを0.45から更に大きな値にすることもできる。こ
の様な歪ヘテロ接合では、In組成を大きくしたり、InwG
a1-wAs(wはIn組成)234 の膜厚を厚くしたりすると結晶
性が悪くなる。例えば、In組成wが0.3の時、膜厚は10 n
mである。In組成をグレーデドにしてGaAs層34の代わり
に使う事もできる。
Further, the p-type AluGa1-uAs 36 emitter layer Al
The composition u can be increased from 0.45 to a larger value. In such a strained heterojunction, the In composition is increased or the InwG
When the film thickness of a1-wAs (w is In composition) 234 is increased, the crystallinity deteriorates. For example, when the In composition w is 0.3, the film thickness is 10 n
m. The In composition can be graded and used instead of the GaAs layer 34.

【0125】〈実施例4〉さらに、電流増幅率 hfeを
巨大にする別の実施例を図 35 (a)に示す。半絶縁性 In
P基板 230上にMBEにより250 nmのアンドープAlInAs
と40 nmのアンドープAlInAs-GaInAs超格子31'を形成
後、Beを4×1019/cm3含有するp型 Al0.48In0.52As 32'
を400 nm、更に、アンドープAl0.48In0.52As 33'を400
nm、アンドープGa0.47In0.53As 34'を40 nm成長する。
次に、Siを1019/cm3含有するn型Al0.48In0.52As 35'を1
5 nm、Beを4×1019/cm3含有するp型 Al0.48In0.52As 3
6'を200 nm、同じ不純物濃度の p型 Ga0.47In0.53As55'
を40 nm、更に、Beを1020/cm3含有するp型 Ga0.47In0.
53As56'を20 nm、形成した。その後、エミッタ電極40と
ゲート電極45を加工、p型層のエッチング除去後、Siを1
019/cm3含有するn型Ga0.47In0.53As50'を160 nm、MOCVD
法を用いて形成した。その後、AlInAs/GaInAsヘテロ接
合系プロセスを用いて、電極形成や素子間分離等を行な
った。この時、エミッタ寸法 1×2μm2で電流増幅率は5
000であった。以上実施例 3,4では、InGaAsをFETの能動
層に用いるので、GaAsに比べ約1.5-2倍のFET性能を出せ
る長所も存在する。
<Embodiment 4> Another embodiment in which the current amplification factor hfe is increased is shown in FIG. Semi-insulating In
250 nm undoped AlInAs by MBE on P substrate 230
When 40 nm of undoped AlInAs-GaInAs superlattices 31 'after forming, p-type Al 0 to 4 × 10 19 / cm 3 containing Be. 48 In 0. 52 As 32'
The 400 nm, further, an undoped Al 0. 48 In 0. 52 400 a As 33 '
nm, an undoped Ga 0. 47 In 0. 53 a As 34 'grows 40 nm.
Next, n-type Al 0 to 10 19 / cm 3 containing Si. 48 In 0. 52 As 35 ' 1
5 nm, p-type Al 0 to 3 containing 4 × 10 19 / cm to Be. 48 In 0. 52 As 3
6 'to 200 nm, p-type Ga 0 of the same impurity concentration. 47 In 0. 53 As55'
The 40 nm, further, p-type Ga 0 to 10 20 / cm 3 containing Be. 47 In 0.
53 As56 'was formed to a thickness of 20 nm. Thereafter, the emitter electrode 40 and the gate electrode 45 are processed, and after the p-type layer is removed by etching,
0 19 / cm 3 n-type Ga 0 containing. 47 In 0. 53 As50 'to 160 nm, MOCVD
It was formed using a method. After that, electrode formation, isolation between elements, and the like were performed using an AlInAs / GaInAs heterojunction process. At this time, the emitter size is 1 × 2 μm 2 and the current amplification rate is 5
000. In the third and fourth embodiments, since InGaAs is used for the active layer of the FET, there is an advantage that the FET performance can be about 1.5 to 2 times that of GaAs.

【0126】前記IEEE Transanctions on Electron Dev
ices, Vol.38,No.2,1991 pp.222-231で議論したように2
DEG-HBTのバイポーラ特性は正孔のコレクタ走行時間と
ベースコレクタ寄生容量充電時間でスピードは決まって
しまう。エミッタ寸法1μm×10μm、ベースコレクタ寄
生部分の面積が10μm×10μmで、アンドープコレクタ層
膜厚が 150 nmの場合、遮断周波数が最高を記録すると
き、ベースコレクタ寄生容量充電時間は最も小さい時で
0.75 psecも存在する。この様な、寄生容量を低減する
ための実施例を二つ図 35(b)、36(a)にしめす。
The IEEE Transanctions on Electron Dev
ices, Vol. 38, No. 2, 1991 pp. 222-231
In the bipolar characteristics of DEG-HBT, the speed is determined by the hole collector transit time and the base collector parasitic capacitance charging time. When the emitter dimensions are 1 μm × 10 μm, the base collector parasitic area is 10 μm × 10 μm, and the undoped collector layer thickness is 150 nm, when the cut-off frequency is the highest, the base-collector parasitic capacitance charging time is the shortest.
There is also 0.75 psec. Two embodiments for reducing such a parasitic capacitance are shown in FIGS. 35 (b) and 36 (a).

【0127】〈実施例5〉先ず、図 35(b)に、実施例 2
の改良について説明する。p型 AlxGa1-xAs(x=0.45) 32
を結晶成長後、酸素 (O)をベースコレクタ領域とFET領
域にイオン注入してやり、アニールして結晶性を回復
後、引き続き実施例 2 の結晶成長をアンドープAlyGa1-
yAs(y=0.45) 33 からおこなう。但し、pバッファー層が
なくなったために、FETのVthが負の側にシフトするので
n型 AlzGa1-zAs(z=0.30) 35 のSiのドーピングレヴェル
を2×1018/cm3に下げる必要がある。この場合2DEG-HBT
のバイポーラの2DEGは、Vbe=0.5Vでオンするが、パンチ
スルーコレクタ電流はなんとか無視できるレヴェルであ
る。以後工程は実施例 2 と同様である。イオン注入の
条件は、たとえば、150 keVの加速電圧でドース量1013/
cm2であった。この時、ベースコレクタ容量は、45%減少
し、遮断周波数の最大値は、アンドープコレクタ膜厚が
250 nm の時120 GHzであった。
<Embodiment 5> First, FIG.
The improvement will be described. p-type AlxGa1-xAs (x = 0.45) 32
After crystal growth, oxygen (O) is ion-implanted into the base collector region and the FET region, and annealing is performed to recover the crystallinity. Subsequently, the crystal growth of Example 2 is undoped with AlyGa1-
yAs (y = 0.45) Start from 33. However, since the p-buffer layer has disappeared, the Vth of the FET shifts to the negative side.
It is necessary to reduce the Si doping level of n-type AlzGa1-zAs (z = 0.30) 35 to 2 × 10 18 / cm 3 . In this case 2DEG-HBT
Bipolar 2DEG turns on at Vbe = 0.5V, but the punch-through collector current is at a negligible level. The subsequent steps are the same as in Example 2. The conditions for ion implantation are, for example, a dose amount of 10 13 / acceleration voltage of 150 keV.
It was cm 2. At this time, the base collector capacitance is reduced by 45%, and the maximum value of the cutoff frequency is
At 250 nm, it was 120 GHz.

【0128】〈実施例6〉次に、図 36(a)に、実施例 2
の改良について説明する。 n+GaAs再成長層50の代わり
に、GaAsからInGaAsを経てInAsに代わるグレーデド層5
0"を形成しノンアロイ金属(例えば、WSiなどの高耐熱メ
タル)をもちいてソース、ドレイン、ベース電極を形成
後これらの電極幅を0.5-2.0μmにすることで接合面積を
小さくし、合わせて寄生容量も小さくする。この時、ベ
ースコレクタ容量は、30%減少し、遮断周波数の最大値
は、アンドープコレクタ膜厚が250 nm の時90 GHzであ
った。
<Embodiment 6> Next, FIG.
The improvement will be described. In place of n + GaAs regrowth layer 50, graded layer 5 replacing GaAs with GaAs through InGaAs
After forming source, drain, and base electrodes using a non-alloy metal (for example, a high heat-resistant metal such as WSi), the junction area is reduced by setting the width of these electrodes to 0.5 to 2.0 μm. At this time, the base capacitance was reduced by 30%, and the maximum cutoff frequency was 90 GHz when the undoped collector film thickness was 250 nm.

【0129】コンプリメンタリBiFETを2DEG-HBTを用い
て形成する事を想定した本発明の説明を述べてきた。次
に、類似のデバイス構造で、コンプリメンタリBiFETを
実現する方法を二つ述べる。
The description of the present invention has been described assuming that a complementary BiFET is formed using 2DEG-HBT. Next, two methods for implementing a complementary BiFET with a similar device structure will be described.

【0130】〈実施例7〉先ず、図 36 (b)にいわゆるH
EMT(高移動度トランジスタ)を用いたコンプリメンタリB
iFETの実施例を示す。2DEG-HBTのFET動作においてpn接
合ゲート構造をショットキー接合のゲート構造にすれば
pバッファー層付きHEMTになるので、実施例 2を引合い
にして、如何にコンプリメンタリBiFETを作るか説明す
る。ショットキー接合のゲート構造の場合 (6)式に示す
Vthの主要項は、Eg(AlGaAs)の代わりに、ショットキー
接合高さ Φbnを持ちいなければならないので、しきい
値電圧が0.5V程度深くなる。そこで、n型 AlzGa1-zAs(z
=0.30) 35 のSiのドーピングレヴェルを2×1018/cm3
下げる必要がある。この場合2DEG-HBTのバイポーラの2D
EGは、Vbe=0.5Vでオンするが、パンチスルーコレクタ電
流はなんとか無視できるレヴェルである。以後工程はFE
Tのゲート電極をp型 AluGa1-uAs(u=0.45) 36を除去し、
ゲート電極45を高耐熱メタルで形成し、n+GaAs層をMOCV
Dにより再成長させる。ゲート抵抗を下げたい場合、T字
型構造にしてもよい。その時、T字の上の部分はMo/Au 4
5'を用いたりする。それ以外の部分は実施例 2 と同様
である。又、ドーピングレヴェルを変えずにFET部分だ
けn型 AlzGa1-zAs(z=0.30) 35の膜厚をエッチング除去
してもよい。
<Embodiment 7> First, FIG.
Complementary B using EMT (high mobility transistor)
1 shows an embodiment of an iFET. In FET operation of 2DEG-HBT, if the pn junction gate structure is changed to the Schottky junction gate structure
Since the HEMT has a p-buffer layer, a description will be given of how to make a complementary BiFET with reference to Example 2. In the case of a Schottky junction gate structure
The main term of Vth must have a Schottky junction height Φbn instead of Eg (AlGaAs), so that the threshold voltage is about 0.5V deeper. Therefore, n-type AlzGa1-zAs (z
= 0.30) The doping level of 35 Si needs to be reduced to 2 × 10 18 / cm 3 . In this case 2DEG-HBT bipolar 2D
EG turns on at Vbe = 0.5V, but the punch-through collector current is at a negligible level. After that, the process is FE
Remove the p-type AluGa1-uAs (u = 0.45) 36 from the T gate electrode,
Gate electrode 45 is formed of high heat-resistant metal, and n + GaAs layer is MOCV
Regrow with D. To reduce the gate resistance, a T-shaped structure may be used. At that time, the upper part of the T-shape is Mo / Au 4
Use 5 '. Other parts are the same as in the second embodiment. Alternatively, the film thickness of n-type AlzGa1-zAs (z = 0.30) 35 may be removed by etching only in the FET portion without changing the doping level.

【0131】〈実施例8〉次に、図 37に2DEGの代わり
にDoped Channelを用いる例を示す。実施例 2でアンド
ープGaAs(y=0.45) 34 を 10 nm、成長後Siを3×1018/cm
3含有するn型 GaAs338を10 nm、アンドープ AlzGa1-zAs
(z=0.30) 335 を 25 nm、形成後、実施例 2と同様にエ
ミッタ層を積み上げていく。その後のプロセスは、実施
例 2と同様である。n型 GaAs 338の代わりにInuGa1-uAs
をもちいてFET性能をあげ、hFEを大きくすることがで
きる。ベース層であるn型 GaAs 338とエミッタ層36の間
にアンドープ AlzGa1-zAs(z=0.30) 335 が挿入されてい
る理由は、VbeがVtpより大きい時に、2DEGの蓄積層が、
形成され個々のヘテロ障壁のために巨大電流増幅率を実
現できる。しかし、この場合、2DEGベースよりは、バイ
ポーラ性能はおちる。その理由は、ベース層がドープさ
れている為に、余分な度-遅延時間が発生するためであ
る。
<Eighth Embodiment> Next, FIG. 37 shows an example in which a Doped Channel is used in place of 2DEG. In Example 2, 10 nm of undoped GaAs (y = 0.45) 34, and 3 × 10 18 / cm
3 Containing n-type GaAs338 at 10 nm, undoped AlzGa1-zAs
(z = 0.30) After forming 25 nm of 335, the emitter layers are stacked in the same manner as in Example 2. The subsequent process is the same as in the second embodiment. InuGa1-uAs instead of n-type GaAs 338
To increase FET performance and increase hFE. The reason that undoped AlzGa1-zAs (z = 0.30) 335 is inserted between the n-type GaAs 338 which is the base layer and the emitter layer 36 is that when Vbe is larger than Vtp, the accumulation layer of 2DEG is
Due to the individual heterobarriers formed, a huge current gain can be realized. However, in this case, the bipolar performance is lower than the 2DEG base. The reason is that an extra degree-delay time is generated because the base layer is doped.

【0132】次に、カレントリミターの作り方について
説明する。ひとつのやり方は、FETのソースとゲートを
ショートさせると、ゲート電圧 Vg=0Vの時の飽和ソース
ドレイン電流Idss(Vg=0V)が、カレントリミター電流 Io
になる。コンプリメンタリBiFETに適用する場合、待機
時の消費電力 Poを決めてしまうので、 (1) Ioとしては
大略0.1-50 μA 程度に押さえる必要がある。スイッチ
ング時の消費電力をPsとすると、待機時の消費電力 Po
がPsに比べ小さい事が必要である。回路の消費電力 P
はPo + Psであり、低消費電力化には、Pの低減を設計原
理にする必要がある。スピードを速くするには、ある程
度Psを大きくするのは止む得ない(スピードとトレード
オフの関係)。一方、(2) プロセスが簡単であるという2
DEG-HBTの長所を失わせずにカレントリミターを形成し
たい。この両者を満足させるための方法を次の実施例に
述べる。
Next, how to make a current limiter will be described. One way is to short-circuit the source and the gate of the FET, the saturation source / drain current Idss (Vg = 0V) when the gate voltage Vg = 0V becomes the current limiter current Io
become. When applied to the complementary BiFET, the power consumption Po during standby is determined. (1) Io needs to be suppressed to about 0.1-50 μA. If the power consumption during switching is Ps, the power consumption during standby Po
Must be smaller than Ps. Circuit power consumption P
Is Po + Ps, and it is necessary to reduce P as a design principle in order to reduce power consumption. To increase the speed, it is unavoidable to increase Ps to some extent (relationship between speed and trade-off). On the other hand, (2) the process is simple
Want to form a current limiter without losing the advantages of DEG-HBT. A method for satisfying both will be described in the next embodiment.

【0133】〈実施例9〉2DEG-HBTのFET動作を利用す
る場合の実施例を図 38,図39に説明する。実施例3 を使
って説明する。エミッタ部分とベース部分の間にカレン
トリミターを挿入してやる。カレントリミターは基本的
にはFETのソースとゲートを繋いだものである。図 6
(a)に示すように、FETのVth が正でも、大略0-0.15Vて
いどでは、FETのソースドレン電流が流れるのでこれを
カレントリミターに用いる事ができる。カレントリミタ
ーの幅を調整する事でもIoを調整できる。そこで、図 3
8,図39に示す様に、ベース部分とエミッタ部分の間にカ
レントリミターのゲート部分140を挿入してやれば、基
本的には、2DEG-HBTのエピ構造をそのまま使う事で、プ
ロセスの大きな変更無しに、カレントリミターを形成で
きる。又、カレントリミターは図 36 (b)に示す所謂HEM
Tを用いて形成してもよい。コレクタは配置により図 38
(a)又は図39の二つの位置がある。またカレントリミタ
ーのゲート電極とベース電極を図 38(b)に示すように同
一電極で形成してもよい。
<Embodiment 9> An embodiment in which the FET operation of 2DEG-HBT is used will be described with reference to FIGS. This will be described using a third embodiment. Insert a current limiter between the emitter and base. The current limiter basically connects the source and gate of the FET. Fig. 6
As shown in (a), even if the Vth of the FET is positive, the source drain current of the FET flows when the Vth is approximately 0 to 0.15 V, so that this can be used as a current limiter. Io can also be adjusted by adjusting the width of the current limiter. Therefore, Figure 3
8, As shown in Fig. 39, if the gate part 140 of the current limiter is inserted between the base part and the emitter part, basically, the epi structure of 2DEG-HBT is used as it is, and there is no major change in the process. In addition, a current limiter can be formed. The current limiter is a so-called HEM shown in Fig. 36 (b).
It may be formed using T. Fig. 38
(a) or two positions in FIG. Further, the gate electrode and the base electrode of the current limiter may be formed of the same electrode as shown in FIG.

【0134】次に、ダイオードの形成法について説明す
る。SiプロセスにはないGaAs/AlGaAsヘテロ接合の特徴
として、良好で制御性のあるヘテロ接合を形成できる点
がある。2DEG-HBTは、まさにその点を用いたデバイスと
いうことができる。ヘテロ接合のユニークな使い方とし
てIso-Heterojunctionを用いて、少数キャリヤの蓄積効
果のないダイオードを形成する事ができる。
Next, a method for forming a diode will be described. One of the features of the GaAs / AlGaAs heterojunction not found in the Si process is that a good and controllable heterojunction can be formed. The 2DEG-HBT can be said to be a device that uses that point. By using Iso-Heterojunction as a unique use of heterojunction, it is possible to form a diode without the accumulation effect of minority carriers.

【0135】ここで、Iso-Heterojunctionとは、n型Ga
As/アンドープAlGaAs(または、AlAs)/n型GaAs あるい
は、p型GaAs/アンドープAlGaAs(または、AlAs)/p型GaAs
等をいう。GaAsの代わりにInuGa1-uAsをもちいてもよ
い。真中に挟まれたアンドープ層の膜厚をLとする。n
型GaAs/アンドープAlGaAs(または、AlAs)/n型GaAsの両
端に電圧を印加した状態での伝導帯のバンド図を図 42
(b)に示す。点線はフェルミレヴェルを示している。こ
の時の、電流電圧特性を図 42 (a)に示す。立上り電圧
Vfe(ISO)は、Al組成、膜厚L,使用する温度などでコン
トロールできる。p型のIso-Heterojunctionについても
同様である。Vfe(ISO)は大略0-1Vの範囲で設計でき
る。
Here, the Iso-Hetero junction is an n-type Ga
As / undoped AlGaAs (or AlAs) / n-type GaAs or p-type GaAs / undoped AlGaAs (or AlAs) / p-type GaAs
Etc. InuGa1-uAs may be used instead of GaAs. Let L be the thickness of the undoped layer sandwiched in the middle. n
Fig. 42 shows the conduction band diagram when voltage is applied to both ends of n-type GaAs / undoped AlGaAs (or AlAs) / n-type GaAs.
It is shown in (b). Dotted lines indicate Fermi Revel. The current-voltage characteristics at this time are shown in FIG. The rise voltage Vfe (ISO) can be controlled by the Al composition, the film thickness L, the temperature used, and the like. The same applies to the p-type Iso-Heterojunction. Vfe (ISO) can be designed in the range of approximately 0-1V.

【0136】〈実施例10〉図 40,41(a)(b)にIso-Hete
rojunctionに係る実施例をのべる。図 41 (a)にp型Iso-
Heterojunctionの場合を説明する。C(カーボン)を2×10
20/cm3含有するp型GaAs 255 50 nm 上にアンドープGaAs
256 を10 nm, さらにアンドープAlxGa1-xAs(x=0.45) 2
57を70 nm,さらにアンドープGaAs 258 を10 nm、さらに
C(カーボン)を2×1020/cm3含有するp型 GaAs 259 を 40
nm、MOMBEにより形成した。これに、ダイオード電極 2
45、246を形成した。Vfe(ISO)は、0.3 Vであった。
<Embodiment 10> FIGS. 40 and 41 (a) and (b) show the Iso-Hete
Examples of rojunction will be described. Figure 41 (a) shows the p-type Iso-
The case of Heterojunction will be described. 2 x 10 C (carbon)
Undoped GaAs on p-type GaAs 255 50 nm containing 20 / cm 3
256 at 10 nm, and undoped AlxGa1-xAs (x = 0.45) 2
57 for 70 nm, undoped GaAs 258 for 10 nm, and
40 p-type GaAs 259 containing 2 × 10 20 / cm 3 of C (carbon)
nm, formed by MOMBE. The diode electrode 2
45, 246 were formed. Vfe (ISO) was 0.3 V.

【0137】次に図 41 (b)にn型Iso-Heterojunctionの
場合を説明する。Si(シリコン)を3×1018/cm3含有するn
型 GaAs 50 160 nm 上にアンドープGaAs 51 を10 nm,
さらにアンドープAlxGa1-xAs(x=0.45) 52を100 nm,さら
にアンドープGaAs 53 を10 nm、さらにSi(シリコン)を3
×1018/cm3含有するn型 GaAs/InGaAsグレーデド/InAs層
54をMBEにより形成した。これに、ダイオード電極 4
7、44を形成した。47としてはノンアロイ金属を選ぶこ
とができる。この場合Vfe(ISO)は、0.45 Vであった。
この様なIso-Heterojunctionのダイオード45度傾いた正
方形で表し、n型の場合を白抜き、p型の場合を黒塗で
表す。コンプリメンタリBiFETにダイオードとして用い
る場合図 40 (a)(b)に示す二つの場合が考えられる。
Next, the case of the n-type Iso-Hetero junction will be described with reference to FIG. N containing 3 × 10 18 / cm 3 of Si (silicon)
Type GaAs 50 10 nm undoped GaAs 51 on 160 nm,
Further, undoped AlxGa1-xAs (x = 0.45) 52 is 100 nm, undoped GaAs 53 is 10 nm, and Si (silicon) is 3 nm.
× 10 18 / cm 3 containing n-type GaAs / InGaAs graded / InAs layer
54 was formed by MBE. The diode electrode 4
7, 44 were formed. For 47, a non-alloy metal can be selected. In this case, Vfe (ISO) was 0.45 V.
Such a diode of Iso-Heterojunction is represented by a square inclined at 45 degrees, the n-type case is outlined and the p-type case is painted in black.
Represent. When used as a diode in a complementary BiFET There are two cases shown in FIGS. 40 (a) and (b).

【0138】次にダイオードの電圧シフトΔVの設計に
ついて説明する。特に、コンプリメンタリBiFETの
応用範囲(高速コンピュータ用のスピードを優先させた
論理回路やSRAMからスピードと低消費電力の両方が
要求される卓上ワークステイションや卓上パソコン、光
通信用デジタル/アナログIC、更には、超低消費電力
が要求される携帯電話、携帯パソコン、携帯テレビ電話
等)は広いので消費電力を広い範囲で制御する必要にせ
まられる。これに応じて、電圧シフトΔVを大略0Vか
ら1.5V程度まである程度自由に設計できる事が必要
になる。これらの作り方を、実施例 11で説明する。こ
の場合にも、プロセスが簡単であるという2DEG-HBTの長
所を失わせずにダイオードを形成したい。
Next, the design of the diode voltage shift ΔV will be described. In particular, the application range of complementary BiFETs (desktop workstations and desktop personal computers that require both speed and low power consumption from logic circuits and SRAMs that prioritize speed for high-speed computers, digital / analog ICs for optical communication, , Portable telephones, portable personal computers, portable videophones, etc., which require ultra-low power consumption, the power consumption must be controlled in a wide range. Accordingly, it is necessary that the voltage shift ΔV can be designed to some extent freely from about 0 V to about 1.5 V. A method for making these will be described in Example 11. In this case, too, we want to form a diode without losing the advantage of 2DEG-HBT in that the process is simple.

【0139】ΔVgd + ΔVdd = 0.75 V, Vdd=2.15 V,V
fn = 1.4 V程度の場合について以下に説明する。
ΔVgd + ΔVdd = 0.75 V, Vdd = 2.15 V, V
The case where fn = about 1.4 V will be described below.

【0140】〈実施例11〉バイポーラのコレクタ側に
ダイオードを入れるやり方は、大まかにいって、三種類
存在する。(1)コレクタ層のp型層へp型ショットキーダ
イオードを挿入する。(2)FETのドレイン部分にn型層を
形成しショットキーダイオードを挿入する。(3)コレク
タ層のp型層へp型Iso-Heterojunctionダイオードを挿入
する。一方、FETのゲート部分にダイオードを入れるや
り方は、大まかにいって、三種類存在する。
<Embodiment 11> There are roughly three ways to insert a diode on the collector side of a bipolar. (1) Insert a p-type Schottky diode into the p-type layer of the collector layer. (2) Form an n-type layer at the drain of the FET and insert a Schottky diode. (3) Insert a p-type Iso-Heterojunction diode into the p-type layer of the collector layer. On the other hand, there are roughly three ways to put a diode in the gate of an FET.

【0141】(4)p型ゲート(エミッタ)層上にn型Iso-Het
erojunctionダイオードを挿入する。(5)p型ゲート(エミ
ッタ)層上にn型ショットキーダイオードを挿入する。
(6)FET以外の領域に、選択エピ時にn型ショットキーダ
イオードを挿入する。
(4) An n-type Iso-Het is formed on the p-type gate (emitter) layer.
Insert erojunction diode. (5) Insert an n-type Schottky diode on the p-type gate (emitter) layer.
(6) An n-type Schottky diode is inserted into a region other than the FET during the selected epi.

【0142】先ず、図 43(a)にコレクタにp型Iso-Heter
ojunctionダイオードを挿入し、FETのゲート部分に
もn型ショットキーダイオードを挿入した場合の素子断
面の例を示す。エピ構造の基本は、実施例 2と同じであ
る。ここでは、異なる点のみ言及する。先ず半絶縁性Ga
As基板30上に、Beを3×1019/cm3含有するp型 GaAs 70
を200 nm、アンドープGaAs 71 を 30 nm、アンドープAl
yGa1-yAs(y=0.45) 72 を 200 nm、形成し、実施例 2の
ように、Beを3×1019/cm3含有するp型 GaAs 31 から結
晶成長していく。p型GaAs層 56 上に、Siを4×1018/cm3
含有するn型 GaAs 154を50 nm、更に、Siを4×1017/cm3
含有するn型 GaAs 155を90 nm結晶成長する。バイポー
ラ部分では、n型 GaAs 154、155を除去後実施例 2の工
程に加えてダイオードを作る工程を入れる。即ち、コレ
クタ電極 42とp型 GaAs 70 へのオーミック電極 49を通
じてp型Iso-Heterojunctionダイオードを形成する。電
極 49は、ドレイン部分と結線され、コンプリメンタリB
iFETの出力端子となる。n型 GaAs 155にショットキー接
合する高耐熱ゲート電極45を用いて、FETのゲート部分
とn型ショットキー接合を自己整合的に形成する。p型Ga
As層 56 とn型 GaAs 154はトンネル接合をしている。
First, FIG. 43 (a) shows that a p-type Iso-Heter
An example of an element cross section when an ojunction diode is inserted and an n-type Schottky diode is also inserted at the gate of the FET is shown. The basics of the epi structure are the same as in the second embodiment. Here, only the differences will be mentioned. First, semi-insulating Ga
P-type GaAs 70 containing 3 × 10 19 / cm 3 Be on As substrate 30
200 nm, undoped GaAs 71 30 nm, undoped Al
200 nm of yGa1-yAs (y = 0.45) 72 is formed, and as in Example 2, crystal growth is performed from p-type GaAs 31 containing 3 × 10 19 / cm 3 of Be. Si on the p-type GaAs layer 56 is 4 × 10 18 / cm 3
Contain n-type GaAs 154 at 50 nm and Si at 4 × 10 17 / cm 3
The contained n-type GaAs 155 is grown by 90 nm crystal. In the bipolar portion, after removing the n-type GaAs 154 and 155, a process of forming a diode is added in addition to the process of the second embodiment. That is, a p-type Iso-Heterojunction diode is formed through the collector electrode 42 and the ohmic electrode 49 to the p-type GaAs 70. Electrode 49 is connected to the drain part, and
It becomes the output terminal of iFET. The gate portion of the FET and the n-type Schottky junction are formed in a self-aligned manner by using the high heat-resistant gate electrode 45 that makes a Schottky junction with the n-type GaAs 155. p-type Ga
The As layer 56 and the n-type GaAs 154 have a tunnel junction.

【0143】次に、図 43(b)にコレクタにp型ショット
キーダイオードを挿入し、FETのゲート部分にはp型Iso-
Heterojunctionダイオードを挿入した場合の素子断面の
例を示す。エピ構造の基本は、実施例 2と同じである。
ここでは、異なる点のみ言及する。先ず半絶縁性GaAs基
板30上に、GaAsバッファー層を形成後Beを3×1017/cm3
含有するp型 GaAs 170 を 300 nm形成し、実施例 2のよ
うに、Beを3×1019/cm3含有するp型 GaAs 31 から結晶
成長していく。p型GaAs層 56 上に、アンドープGaAs 57
を 30 nm、アンドープAlyGa1-yAs(y=0.45) 58 を 200
nm、Beを1020/cm3含有するp型 GaAs 59を形成する。エ
ミッタ部分の半導体層 57、58、59を除去後、実施例 2
のように、プロセスを進める。p型 GaAs 170へのショッ
トキー電極48を用いて、コレクタ電極42との間で、p型
ショットキーダイオードを形成する。ショットキー電極
48 はドレイン電極と結線され、コンプリメンタリBiFET
の出力端子となる。
Next, a p-type Schottky diode is inserted into the collector in FIG. 43 (b), and a p-type
An example of an element cross section when a Heterojunction diode is inserted is shown. The basics of the epi structure are the same as in the second embodiment.
Here, only the differences will be mentioned. First, after forming a GaAs buffer layer on a semi-insulating GaAs substrate 30, Be is applied at 3 × 10 17 / cm 3
A 300 nm thick p-type GaAs 170 is formed, and a crystal is grown from a p-type GaAs 31 containing 3 × 10 19 / cm 3 of Be as in the second embodiment. Undoped GaAs 57 on p-type GaAs layer 56
30 nm, undoped AlyGa1-yAs (y = 0.45) 58 to 200
A p-type GaAs 59 containing nm and Be at 10 20 / cm 3 is formed. After removing the semiconductor layers 57, 58 and 59 in the emitter part,
The process proceeds as follows. Using the Schottky electrode 48 for the p-type GaAs 170, a p-type Schottky diode is formed between the Schottky electrode and the collector electrode. Schottky electrode
48 is connected to the drain electrode, and the complementary BiFET
Output terminal.

【0144】次に、図 44(a)にドレイン領域にn型Iso-H
eterojunctionダイオードを挿入し、FETのゲート部分に
はp型Iso-Heterojunctionダイオードを挿入した場合の
素子断面の例を示す。エピ構造の基本は、実施例 2と同
じである。FETのゲート領域やバイポーラのエミッタ領
域の形成法は、図 43(b)と同じである。違いは、n型GaA
s層50をMOCVDで選択成長した後、アンドープGaAs 51 を
10 nm、アンドープAlyGa1-yAs(y=0.45) 52 を 200 n
m、アンドープGaAs 53 を 10 nm、Siを4×1018/cm3含有
するn型 GaAs 54を200 nm、MOCVDで形成した。n型Iso-H
eterojunctionダイオードを形成するため、ダイオード
電極47をAuGe/Ni/Auを用いてアロイ形成した。ダイオー
ド電極47は、コレクタ電極42と結線され、出力端子とな
る。
Next, FIG. 44A shows that the n-type Iso-H
An example of an element cross section when an eterojunction diode is inserted and a p-type Iso-Heterojunction diode is inserted in the gate of the FET is shown. The basics of the epi structure are the same as in the second embodiment. The method for forming the FET gate region and the bipolar emitter region is the same as in FIG. 43 (b). The difference is n-type GaA
After selectively growing the s layer 50 by MOCVD, undoped GaAs 51
10 nm, undoped AlyGa1-yAs (y = 0.45) 52 to 200 n
m, 10 nm of undoped GaAs 53 and 200 nm of n-type GaAs 54 containing 4 × 10 18 / cm 3 of Si were formed by MOCVD. n-type Iso-H
To form an eterojunction diode, a diode electrode 47 was alloyed using AuGe / Ni / Au. The diode electrode 47 is connected to the collector electrode 42 and serves as an output terminal.

【0145】最後に、図 44(b)にドレイン部分にn型シ
ョットキーダイオードを挿入し、FETのゲート部分にもn
型ショットキーダイオードを挿入した場合の素子断面の
例を示す。エピ構造の基本は、実施例 2と同じである。
FETのゲート領域やエミッタ領域の形成は図 43(a)と同
じである。違いは、n型GaAs層50をMOCVDで選択成長した
後、Siを4×1017/cm3含有するn型 GaAs 151を300 nm結
晶成長する。このn型 GaAs 151を用いて、ドレイン部分
にn型ショットキー接合をする金属 147を形成し、ダイ
オードを挿入する。ショットキー電極147は、コレクタ
電極42と結線し、コンプリメンタリBiFETの出力端子と
なる。
Finally, an n-type Schottky diode is inserted in the drain portion in FIG.
An example of a cross section of an element when a Schottky diode is inserted is shown. The basics of the epi structure are the same as in the second embodiment.
The formation of the FET gate and emitter regions is the same as in FIG. 43 (a). The difference is that after selectively growing the n-type GaAs layer 50 by MOCVD, an n-type GaAs 151 containing 4 × 10 17 / cm 3 of Si is grown to a crystal thickness of 300 nm. Using the n-type GaAs 151, a metal 147 that forms an n-type Schottky junction is formed at the drain portion, and a diode is inserted. The Schottky electrode 147 is connected to the collector electrode 42 and serves as an output terminal of the complementary BiFET.

【0146】実施例 3、9,10,11を用いて図 2
3-図26の3入力NAND回路を実現したところ、単位論理ゲ
ート当り、3-10 psecの高速で消費電力 2μW-300μWの
ものが実現できる。
[0146] Using Embodiments 3, 9, 10, and 11, FIG.
3- When the 3-input NAND circuit shown in Fig. 26 is implemented, it is possible to achieve a high speed of 3-10 psec and a power consumption of 2μW-300μW per unit logic gate.

【0147】以上の実施例では、化合物半導体を用いた
nチャンネルFETとPNpHBTとの組合せ野場合を明示した。
キャリヤの伝導型を逆転させた構造でも、本発明を実行
することはできる。また、SiGeを用いたダブルヘテロ接
合2DEG-HBTでもnチャンネルMOSFETとの組合せを用いて
本発明を実行できる。特に、SiGeはSiに比べてバンドギ
ャップが小さいので、GaAs層に対応し、SiはAlGaAs層に
対応する。但し、基板には、Siをもちいる。nチャンネ
ルFETにMOS-FETを使うので、カレントリミターは必要で
あるが、ダイオードを挿入する必要はない。
In the above embodiments, a compound semiconductor was used.
The case of the combination of n-channel FET and PNpHBT is specified.
The present invention can be practiced with a structure in which the conductivity type of the carrier is reversed. Also, the present invention can be implemented using a combination with an n-channel MOSFET even with a double heterojunction 2DEG-HBT using SiGe. In particular, SiGe has a smaller band gap than Si, and thus corresponds to a GaAs layer, and Si corresponds to an AlGaAs layer. However, Si is used for the substrate. Since a MOS-FET is used for the n-channel FET, a current limiter is required, but there is no need to insert a diode.

【0148】〈実施例12〉図 33に、SiGe/Siを用いた
ダブルヘテロ接合2DEG-HBTの実施例を述べる。
Embodiment 12 FIG. 33 shows an embodiment of a double heterojunction 2DEG-HBT using SiGe / Si.

【0149】n型Si基板 530上にMBE法を用いて、n型Si
531、p型Si 532、アンドープSi 533、アンドープSixGe1
-x(x=0.2) 534、n型Si 535、p型Si 536 を形成し、FET
部分は、SiGe層 534以上の層をエッチング除去し、アン
ドープSi 533を熱酸化してMOSFETを形成する。けいせい
した。砒素をイオン注入し、ソースドレイン領域537を
形成している。SiO2 555の下に形成されるチャンネル層
538は所謂電子反転層である。
The n-type Si substrate 530 is formed on the n-type Si substrate
531, p-type Si 532, undoped Si 533, undoped SixGe1
-x (x = 0.2) 534, n-type Si 535, p-type Si 536, and FET
In the portion, the layer above the SiGe layer 534 is etched away, and the undoped Si 533 is thermally oxidized to form a MOSFET. I was sorry. Arsenic is ion-implanted to form a source / drain region 537. Channel layer formed under SiO 2 555
538 is a so-called electron inversion layer.

【0150】[0150]

【発明の効果】本発明によれば、ベースとコレクタがヘ
テロ接合になる事により、(1) コレクタに蓄積する少数
キャリヤが極めて減少し、トランジスタが飽和領域から
抜け出す時の遅延時間が極度に減少し、2DEG-HBTでは、
選択ドープヘテロ構造で形成される2DEG(二次元電子ガ
ス)をベース層に用い、ベースが高純度のコレクタ層に
形成されるという特徴の為に、(2) トランジスタが飽和
する時にベース領域に蓄積する少数キャリヤは飽和領域
から抜け出す時に極めて高速に取り出される。
According to the present invention, the heterojunction between the base and the collector causes (1) the number of minority carriers accumulated in the collector to be extremely reduced, and the delay time when the transistor comes out of the saturation region is extremely reduced. And in 2DEG-HBT,
Due to the feature that 2DEG (two-dimensional electron gas) formed by selective doping heterostructure is used for the base layer and the base is formed in a high-purity collector layer, (2) it accumulates in the base region when the transistor is saturated Minority carriers are extracted very quickly when exiting the saturation region.

【0151】この様なダブルヘテロ接合2DEG-HBTの特徴
を活かすと、2DEG-HBTの本来の特徴である同一エピ構造
でpn接合型FETを形成できるので、(3) FET領域のドレイ
ンとバイポーラのコレクタを接続させ出力とし、FET領
域のゲートとバイポーラのベースを接続させ入力とし、
エミッタを高電位に、ソースを低電位にする事で、コン
プリメンタリBiFETを形成できる。
By utilizing the characteristics of such a double heterojunction 2DEG-HBT, it is possible to form a pn junction FET with the same epi structure, which is an original feature of the 2DEG-HBT. Connect the collector to the output, connect the gate of the FET region to the bipolar base and use it as the input,
By setting the emitter to a high potential and the source to a low potential, a complementary BiFET can be formed.

【0152】更に、ベースにカレントリミターを挿入し
たり、コレクタやゲートにダイオードを挿入する事等
で、低消費電力化ができ、この様なコンプリメンタリBi
FET構造にする事により、論理ゲートの場合では、ゲー
ト当りの遅延時間を10 psec 以下の超高速で、10 μW以
下の超低消費電力で動作する論理ゲートを提供できる。
Further, by inserting a current limiter into the base, or inserting a diode into the collector or gate, power consumption can be reduced.
By using the FET structure, in the case of a logic gate, it is possible to provide a logic gate that operates at an ultra-high speed with a delay time per gate of 10 psec or less and an ultra-low power consumption of 10 μW or less.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のコンプリメンタリBiFETの基本構造と
動作特性の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic structure and operating characteristics of a complementary BiFET of the present invention.

【図2】本発明のコンプリメンタリBiFETの基本構造と
動作特性の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a basic structure and operating characteristics of a complementary BiFET of the present invention.

【図3】本発明を実現するダブルヘテロ接合2DEG-HBTの
エネルギバンド図とその説明図である。
FIG. 3 is an energy band diagram and an explanatory diagram of a double heterojunction 2DEG-HBT realizing the present invention.

【図4】本発明を実現するダブルヘテロ接合2DEG-HBTの
エネルギバンド図とその説明図である。
FIG. 4 is an energy band diagram and an explanatory diagram of a double heterojunction 2DEG-HBT realizing the present invention.

【図5】本発明のコンプリメンタリBiFETの動作特性を
説明するための補助図である。
FIG. 5 is an auxiliary diagram for explaining the operation characteristics of the complementary BiFET of the present invention.

【図6】本発明のコンプリメンタリBiFETの動作特性を
説明するための補助図である。
FIG. 6 is an auxiliary diagram for explaining the operation characteristics of the complementary BiFET of the present invention.

【図7】本発明のコンプリメンタリBiFETの動作特性を
説明するための補助図である。
FIG. 7 is an auxiliary diagram for explaining the operation characteristics of the complementary BiFET of the present invention.

【図8】本発明のコンプリメンタリBiFETの動作特性の
説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of operation characteristics of the complementary BiFET of the present invention.

【図9】本発明のコンプリメンタリBiFETの動作特性の
説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of operation characteristics of the complementary BiFET of the present invention.

【図10】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple-connection complementary BiFET of the present invention.

【図11】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図12】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図13】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 13 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図14】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図15】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図16】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple connection complementary BiFET of the present invention.

【図17】本発明の多重連結コンプリメンタリBiFETの
動作特性の説明図である。
FIG. 17 is an explanatory diagram of the operation characteristics of the multiple-connection complementary BiFET of the present invention.

【図18】本発明のコンプリメンタリBiFETの低消費電
力化を示す概念図である。
FIG. 18 is a conceptual diagram showing a reduction in power consumption of a complementary BiFET of the present invention.

【図19】本発明のコンプリメンタリBiFETの低消費電
力化を示す概念図である。
FIG. 19 is a conceptual diagram showing low power consumption of the complementary BiFET of the present invention.

【図20】本発明のコンプリメンタリBiFETの低消費電
力化を示す概念図である。
FIG. 20 is a conceptual diagram showing a reduction in power consumption of a complementary BiFET of the present invention.

【図21】低消費電力化されたコンプリメンタリBiFET
の動作特性の説明図である。
FIG. 21: Complementary BiFET with reduced power consumption
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation characteristics of FIG.

【図22】低消費電力化されたコンプリメンタリBiFET
の動作特性の説明図である。
FIG. 22: Complementary BiFET with reduced power consumption
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation characteristics of FIG.

【図23】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NAND回路の説明図である。
FIG. 23 is an explanatory diagram of a three-input NAND circuit using the complementary BiFET of the present invention.

【図24】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NAND回路の説明図である。
FIG. 24 is an explanatory diagram of a three-input NAND circuit using the complementary BiFET of the present invention.

【図25】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NAND回路の説明図である。
FIG. 25 is an explanatory diagram of a three-input NAND circuit using a complementary BiFET of the present invention.

【図26】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NAND回路の説明図である。
FIG. 26 is an explanatory diagram of a three-input NAND circuit using the complementary BiFET of the present invention.

【図27】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NOR回路の説明図である。
FIG. 27 is an explanatory diagram of a three-input NOR circuit using a complementary BiFET of the present invention.

【図28】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NOR回路の説明図である。
FIG. 28 is an explanatory diagram of a three-input NOR circuit using a complementary BiFET of the present invention.

【図29】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NOR回路の説明図である。
FIG. 29 is an explanatory diagram of a three-input NOR circuit using a complementary BiFET of the present invention.

【図30】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いた3入
力NOR回路の説明図である。
FIG. 30 is an explanatory diagram of a three-input NOR circuit using a complementary BiFET of the present invention.

【図31】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いたSRA
M(スタチックランダムアクセスメモリ)メモリセルの説
明図である。
FIG. 31 shows an SRA using the complementary BiFET of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an M (static random access memory) memory cell.

【図32】本発明のコンプリメンタリBiFETを用いたSRA
M(スタチックランダムアクセスメモリ)メモリセルの説
明図である。
FIG. 32 shows an SRA using the complementary BiFET of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an M (static random access memory) memory cell.

【図33】本発明のコンプリメンタリBiFETをSiGe/Siヘ
テロ接合で実現した場合の素子断面図である。
FIG. 33 is a cross-sectional view of an element when the complementary BiFET of the present invention is realized by a SiGe / Si heterojunction.

【図34】本発明のコンプリメンタリBiFETの実施例の
素子断面図である。
FIG. 34 is an element cross-sectional view of an embodiment of a complementary BiFET of the present invention.

【図35】本発明のコンプリメンタリBiFETの実施例の
素子断面図である。
FIG. 35 is a sectional view of a complementary BiFET according to an embodiment of the present invention.

【図36】本発明のコンプリメンタリBiFETの実施例の
素子断面図である。
FIG. 36 is a device sectional view of an embodiment of a complementary BiFET of the present invention.

【図37】本発明のコンプリメンタリBiFETの実施例の
素子断面図である。
FIG. 37 is an element sectional view of an embodiment of a complementary BiFET of the present invention.

【図38】カレントリミターを有する低消費電力化され
たコンプリメンタリBiFETの実施例の素子断面図であ
る。
FIG. 38 is a device cross-sectional view of an embodiment of a low power consumption complementary BiFET having a current limiter.

【図39】カレントリミターを有する低消費電力化され
たコンプリメンタリBiFETの実施例の素子断面図であ
る。
FIG. 39 is a device cross-sectional view of an embodiment of a low power consumption complementary BiFET having a current limiter.

【図40】Iso-Heterojunctionを用いたダイオードの説
明図である。
FIG. 40 is an explanatory diagram of a diode using Iso-Heterojunction.

【図41】Iso-Heterojunctionを用いたダイオードの説
明図である。
FIG. 41 is an explanatory diagram of a diode using Iso-Heterojunction.

【図42】Iso-Heterojunctionを用いたダイオードの説
明図である。
FIG. 42 is an explanatory diagram of a diode using Iso-Heterojunction.

【図43】ダイオードを有する低消費電力化されたコン
プリメンタリBiFETの実施例の素子断面図である。
FIG. 43 is a sectional view of an element of an embodiment of a low power consumption complementary BiFET having a diode.

【図44】ダイオードを有する低消費電力化されたコン
プリメンタリBiFETの実施例の素子断面図である。
FIG. 44 is a device cross-sectional view of an embodiment of a low power consumption complementary BiFET having a diode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…PNp DHBT、 20…nチャンネルFET、30…半絶縁性GaA
s基板、31…p型GaAs、32…p型AlGaAs、33…アンドー
プ、AlGaAs、34…アンドープGaAs、35…n型AlGaAs、36
…p型AlGaAs、37…n型高濃度領域、38…2DEG、40…エミ
ッタ電極、41…ベース電極、42…コレクタ電極、43…ソ
ース電極、44…ドレイン電極、45、45'…ゲート電極、4
6…基板バイアス電極、134…p型GaAs、135…n型AlGaA
s、50…n型GaAs、55,56…p型GaAs、38'…2DEG、60…側
壁絶縁膜、234…アンドープInGaAs、300…酸素イオン注
入層、50"…GaAs/InGaAs/InAs、335…アンドープAlGaA
s、338…n型GaAs又はInGaAs、40"…カレントリミターゲ
ート電極、59,70,170,255,259…p型GaAs、51,53,57,71,
256,258…アンドープGaAs、52,58,72,257…アンドープA
lGaAs、54,154,151,155…n型GaAs、47…ダイオード電
極、147…ショットキー電極、245,246…ダイオード電
極、530…n型Si基板、531…n型Si、532…p型Si、533…
アンドープSi、534…アンドープSiGe、535…n型Si、536
…p型Si、555…SiO2、537…n型イオン注入領域、230…I
nP基板、31'…アンドープAlInAs/GaInAs超格子、32'…p
型AlInAs、33'…アンドープAlInAs、34'…アンドープGa
InAs、35'…n型AlInAs、36'…p型、AlInAs、55'…p型Ga
InAs、50'…n型GaInAs。
10… PNp DHBT, 20… n-channel FET, 30… Semi-insulating GaAs
s substrate, 31 ... p-type GaAs, 32 ... p-type AlGaAs, 33 ... undoped, AlGaAs, 34 ... undoped GaAs, 35 ... n-type AlGaAs, 36
... p-type AlGaAs, 37 ... n-type high concentration region, 38 ... 2DEG, 40 ... emitter electrode, 41 ... base electrode, 42 ... collector electrode, 43 ... source electrode, 44 ... drain electrode, 45, 45 '... gate electrode, Four
6 ... Substrate bias electrode, 134 ... p-type GaAs, 135 ... n-type AlGaA
s, 50: n-type GaAs, 55, 56: p-type GaAs, 38 ': 2DEG, 60: sidewall insulating film, 234: undoped InGaAs, 300: oxygen ion implanted layer, 50 ": GaAs / InGaAs / InAs, 335 ... Undoped AlGaA
s, 338: n-type GaAs or InGaAs, 40 ": current limiter gate electrode, 59, 70, 170, 255, 259, p-type GaAs, 51, 53, 57, 71,
256,258… undoped GaAs, 52,58,72,257… undoped A
lGaAs, 54,154,151,155 ... n-type GaAs, 47 ... diode electrode, 147 ... Schottky electrode, 245,246 ... diode electrode, 530 ... n-type Si substrate, 531 ... n-type Si, 532 ... p-type Si, 533 ...
Undoped Si, 534 ... Undoped SiGe, 535 ... n-type Si, 536
... p-type Si, 555 ... SiO 2 , 537 ... n-type ion implantation area, 230 ... I
nP substrate, 31 '... undoped AlInAs / GaInAs superlattice, 32' ... p
Type AlInAs, 33 '... undoped AlInAs, 34' ... undoped Ga
InAs, 35 '… n-type AlInAs, 36'… p-type, AlInAs, 55 '… p-type Ga
InAs, 50 '… n-type GaInAs.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/737 29/778 29/812 (56)参考文献 特開 昭55−1134(JP,A) 特開 昭62−199049(JP,A) 特開 平3−280437(JP,A) 特開 昭63−5552(JP,A) 特開 昭63−236358(JP,A) SHUICHI FUJITA,e t.al.,”Characteriz ation of Heterostr ucture Complementa ry MISFET Circuits Employing,the New Gate Current Mode l”,IEEE TRANSACTIO NS ON ELECTRON DEV ICES,1987年9月,VOL.ED− 34,NO.9,pp.1889−1896 Patrick D.Rabinzo hn,et.al.,”The New Two−Dimensional E lectron Gas Base H BT(2DEG−HBT):,Two− Dimensional Numeri cal Simulation”,IE EE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, 1991年2月,VOL.38,NO.2,p p.222−231 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737 H01L 21/337 - 21/338 H01L 21/8222 - 21/8228 H01L 21/8232 H01L 27/06 - 27/06 101 H01L 27/08 - 27/08 101 H01L 27/082 H01L 29/00 - 29/267 H01L 29/30 - 29/38 H01L 29/778 H01L 29/80 - 29/812 ────────────────────────────────────────────────── 7 Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 29/737 29/778 29/812 (56) References JP-A-55-1134 (JP, A) JP-A-62-199049 (JP, A) JP-A-3-28037 (JP, A) JP-A-63-5552 (JP, A) JP-A-63-236358 (JP, A) SHUICHI FUJITA, et. al. , "Characterization of Heterostrature Completionary MISFET Circuits Employing, the New Gate Current Model", IEEE TRANSACTION 1987, ELECTRON CONNECTION, 1987. ED-34, NO. 9, pp. 1889-1896 Patrick D. Rabinzo hn, et. al. , "The Two Two-Dimensional Electron Gas Base HBT (2DEG-HBT) :, Two-Dimensional Numerical Simulation", IEEE TRANSACTIONS, 1991. 38, NO. 2, pp. 222-231 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/33-21/331 H01L 29/68-29/737 H01L 21/337-21/338 H01L 21/8222-21 / 8228 H01L 21/8232 H01L 27/06-27/06 101 H01L 27/08-27/08 101 H01L 27/082 H01L 29/00-29/267 H01L 29/30-29/38 H01L 29/778 H01L 29 / 80-29/812

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】エミッタとベースがヘテロ接合をし、ベー
スとコレクタがヘテロ接合をし、これらのヘテロ接合は
エピ構造により構成されたダブルヘテロ接合バイポーラ
トランジスタ(以下DHBTと記す)と該DHBTと
極性の異なる電界効果型トランジスタ(以下FETと記
す)とを備え、該DHBTのベースと該FETのゲート
が結線して配され入力端子となり、該DHBTのコレク
タと該FETのドレインが結線して配され出力端子とな
り、該DHBTのエミッタが第一の電源に、該FETの
ソースが第二の電源に配されることを特徴とする半導体
装置。
1. A heterojunction between an emitter and a base, a heterojunction between a base and a collector, and the heterojunction is
A double heterojunction bipolar transistor (hereinafter, referred to as DHBT) having an epi structure and a field-effect transistor (hereinafter, referred to as FET) having a different polarity from the DHBT are provided. The base of the DHBT is connected to the gate of the FET. The collector of the DHBT and the drain of the FET are connected to form an output terminal, the emitter of the DHBT is connected to a first power supply, and the source of the FET is connected to a second power supply. A semiconductor device, comprising:
【請求項2】 上記DHBTは多層のエピ構造によって形
成され、上記ベースに対応する層によって上記FETの
能動層が構成されることを特徴とする請求項1記載の半
導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said DHBT is formed by a multilayer epi-structure, and a layer corresponding to said base constitutes an active layer of said FET.
【請求項3】 上記DHBTのベースに定電流カレントリ
ミター又は抵抗が挿入されていることを特徴とする請求
項1乃至2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a constant current limiter or a resistor is inserted into a base of said DHBT.
【請求項4】 上記DHBTのコレクタ又はゲートにダイ
オードが挿入されていることを特徴とする請求項1乃至
3記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a diode is inserted into a collector or a gate of said DHBT.
【請求項5】 上記DHBTは二次元電子ガスベースヘテ
ロバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求
項1乃至4記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said DHBT is a two-dimensional electron gas-based heterobipolar transistor.
【請求項6】上記FETがエンハンスメント型であるこ
とを特徴とする請求項1乃至5記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein said FET is of an enhancement type.
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